Einleitung
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 1
BasiswissenMassivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung
Inhalt
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 2
30 Vorwort4 - 80 Geschichte des Schmiedens9 - 11 Statistische Angaben zur Produktion
12 - 14 Schmiedbare Werkstoffe15 - 16 Faserverlauf
17 Werkzeuggestaltung und Wirtschaftlichkeit18 - 19 Genauigkeit von Massivumformteilen
20 Hauptverfahren21 - 28 Maschinen der Schmiedetechnik29 - 31 Automatisierung32 - 33 Vorformverfahren
34 Ringwalzen35 - 36 Freiformschmieden
37 Sonderverfahren der Warmumformtechnik38 Sonderverfahren der Halbwarmumformung
39 - 47 Kaltmassivumformung48 - 52 Arbeitsgänge
53 Verfahrenskombinationen54 - 55 Werkzeuge56 - 57 Wärmebehandlung
58 Oberflächenbehandlung59 - 66 Qualitätssicherung und Werkstoffprüfung
67 Spanende Bearbeitung68 Schmiedeteile im Wettbewerb
69 - 81 Formenvielfalt82 - 84 Einsatzgebiete
85 Teilevielfalt in der Schmiedtechnik86 Bauteiloptimierung
87 - 90 Entwicklungskette91 - 94 Simulation
95 Bild- und Informationsquellen96 Impressum
97 - 101 Literaturhinweise102 Anhang
Foliennummern Thema
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Vorwort
Verehrte Leserin, Verehrter Leser,
das hier vorliegende „Basiswissen“ bietet Ihnen einen leichtverständlichen Einblick in die hochinteressante und wirtschaftlich bedeutsame Welt der Massivumformung.
Selbst im Zeitalter von Blackberrys, IP-TV, Web 2.0 und all den bunten Errungenschaften, die uns die moderne Medienwelt täglich neu präsentiert, ist und bleibt der Maschinen- und Anlagenbau – der auf massivumgeformte Bauteile angewiesen ist –einer der wichtigsten Grundpfeiler unseres heutigen Wohlstandes. Ohne hochfeste, geschmiedete Bauteile aus Metallen wäre unsere wirtschaftliche und technische Entwicklung, wie wir sie in den letzten einhundert Jahren erlebt haben, nicht möglich gewesen. Elektrizität und Mobilität in Form motorisierter Fahrzeuge aller Art sind dabei nur zwei der vielfältigen Anwendungsgebiete moderner massivumgeformter Bauteile.
Und auch in Zukunft wird es verstärkt zum Einsatz dieser Technologie kommen: Der Export massivumgeformter Produkte aus Deutschland in alle Erdteile hat aufgrund des weltweiten Wirtschaftswachstums in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Zudem wird die notwendige Eindämmung des CO2-Ausstoßes einen verstärkten Einsatz massivumgeformter Bauteile erfordern: Die Nutzung regenerativer Energien in Form von Wind- und Wasserkraftwerken, sparsame Verbrennungsmotoren mit erhöhtem Wirkungsgrad und verringerten Reibungsverlusten sowie effiziente Doppelkupplungs-Getriebe sind nur einige Beispiele für den Umweltschutz, die nur mit massivumgeformten Bauteilen möglich sind. Um die Entwicklung und den Einsatz dieser oftmals komplexen und herstellungstechnisch anspruchsvollen Bauteile zu ermöglichen, kommen in der Branche vermehrt modernste Computertechnologie und Simulationssoftware zum Einsatz.
Da die vorliegende Präsentation „Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung“ eine „offene“ PowerPoint-Datei ist, können Sie für Lehrzwecke Elemente daraus für Ihre eigene Präsentation nutzen. Über die Funktion Suchen in PowerPoint finden Sie gesuchte Begriffe aus der Präsentation in wenigen Augenblicken. Neben den kurzen einprägsamen Texten auf den einzelnen Seiten gibt es zu vielen Seiten auch ausführlichere Langtexte, die Ihnen weitere Hintergrundinformationen liefern. Mit Hilfe des Inhaltsverzeichnisses können Sie zu den verschiedenen Themen springen.
Hagen, 01.01.2014
Dr. Frank SpringorumVorsitzender des Vorstands Industrieverband Massivumformung e. V.
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 3
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 4
Die Schmiedekunst ist bereits 6.000 Jahre alt
Skizze aus den Darstellungen am Grabe des Rechmirê, Wesir in der XVIII-Dynastie (ca. 1.450 v. Chr.)
Schmieden ist eine der ältesten Arbeitstechniken der Menschen.
Bereits um 4.000 v. Chr. wurden Metalle durch Schmieden verarbeitet.
Ab 2.500 v. Chr. gab es erste Kupferlegierungen, man sprach von der Bronzezeit.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 5
Schmieden durch die Jahrtausende I
Mittelalterlicher „Rennfeuer“-Betrieb mit Schmiede. Die Verhüttungund die Esse wurden damals mit Holzkohle betrieben
Zwischen 700 und 500 v. Chr. verdrängte Eisen die Bronze.
Der Verhüttungsprozess des Eisenerzes und der Schmiedevorgang waren bis ins 13. und 14. Jahrhundert eine Einheit.
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Wasser- und Dampfkraft ersetzen die Muskelkraft
Dampfhammer „Fritz“, Standort Essen (um 1860)Wasserkraftgetriebener Eisenhammer (um 1780)
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 7
Der Beginn des Schmiedens
Blick in die Produktionshalle der Schmiedagin Hagen (um 1910)
Produktpalette der GesenkschmiedeSchöneweiss (um 1910)
Die damaligen Schmieden produzierten mit transmissionsgetriebenen Hämmern umfassende Produktpaletten an Schmiedeteilen für die Eisenbahn, den Automobilbau und für Landmaschinen.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 8
Entwicklung der Schmiedetechnik
Blick in die Produktionshalle einer verketteten automatisiertenSchmiedeanlage
Die Entwicklung der Gesenkschmiedetechnik ermöglichte:
- Steigende Losgrößen für denFahrzeugbau.
- Weiterentwicklung undSpezialisierung der Stahlsorten.
- Neue Techniken in derHerstellung von Werkzeugen.
- Entwicklung neuerMaschinentypen, neuerVerfahren, neuer Verfahrens-kombinationen undAutomatisierung.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 9
Produktion der deutschen Massivumformung
Massivumformprodukte im Jahr 2010
Knapp zwei Drittel der gesamten Schmiedeproduktion in Deutschland entfällt auf Gesenkschmieden.
Herstellergruppen Produktion in 1000 t Anteil in %
Gesenkschmiedeindustrie 1280 65
Hersteller von Flanschen 68 3,5
Hersteller von Rohrleitungsformstücken 95 4,8
Hersteller von Kaltfließpressteilen 175 8,9
Hersteller von Freiformschmiedestücken 350 17,8
Produktion Massivumformprodukte gesamt 1968 100
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 10
Absatzmärkte von Massivumformprodukten I
Prozentanteile der Liefermengen von Gesenkschmiedeteilen aus Stahl im Jahr 2009 in Tonnen.
Mehr als ein Drittel aller massivumgeformten Teile wird exportiert. Der Fahrzeugbau nimmt zusammen mit den Systemherstellern über 80 Prozent der gesamten Produktion ein.
Export 35%
Inland 65%Systemhersteller 36%
Maschinenbau 10%
Lkw 15%
Pkw 34%
Sonstige 5%
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 11
Absatzmärkte von Massivumformprodukten II
Deutschland ist mit 3.000.000 Tonnen in 2008 weltweit die Nummer zwei.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 12
Schmiedbare Werkstoffe I
Umformverhalten unterschiedlicher Werkstoffgruppen
Stahlgruppen Normblatt
Unlegierte Baustähle DIN EN 10222-1 DIN EN 10250-1/-2
Vergütungsstähle DIN EN 10083-1/-2/-3
Einsatzstähle DIN EN 10084
Nitrierstähle DIN EN 10085
Stähle für Flamm- und Induktionshärten
DIN EN 10083-1/-2/-3
Wälzlagerstähle DIN EN ISO 683-17
Warmfeste Stähle DIN EN 10269DIN EN 10222-1/-2
Kaltzähe Stähle DIN EN 10269 DIN EN 10222-1/-2/-3
Nichtrostende Stähle DIN EN 10222-5DIN EN 10250-1/-4
AFP-Stähle DIN EN 10267
Zum Schmieden eignen sich bis auf wenige Ausnahmen alle Metalle und Metall-Legierungen.Aus über 2.500 Stahlsorten kann die Stahlsorte für den wirtschaftlichsten Einsatz ausgewählt werden.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 13
Schmiedbare Werkstoffe II
Stahlgruppen Normblatt Einsatzbereiche
Unlegierte Baustähle DIN EN 10222-1DIN EN 10250-1/-2
Maschinenbauteil mit niedriger dynamischer Belastung und geringen Festigkeitsanforderungen.
Vergütungsstähle DIN EN 10083-1/-2/-3 Maschinenbauteile und Fahrzeugteile mit hoher dynamischer oder statischer Belastung wie Achsschenkel, Kurbelwellen, Kardanwellen sowie Sicherheitsteile im Fahrzeug- und Seilbahnbau.
EinsatzstähleNitrierstähle
DIN EN 10084DIN EN 10085
Getriebeteile und Antriebsteile mit Oberflächenhärtung, wie Zahnräder, Wellen, verzahnte Bauteile und verschleißfeste Umformwerkzeuge.
Stähle für Flamm- und Induktionshärten
DIN EN 10083-1/-2/-3 Sehr hohe Verschleißsicherheit für Laufwerke, für Kettenfahrzeuge, Fördergeräte im Bergbau, Großwälzlager mit Laufbahnhärtung.
Wälzlagerstähle DIN EN ISO 683-17 Sonderstahl für gehärtete Wälzlagerringe und Wälzkörper. Der Stahl erreicht sehr hohe Härten bei guter Durchhärtung.
Warmfeste Stähle DIN EN 10269DIN EN 10222-1/-2
Hochlegierte Stähle für Strahltriebwerke, Gasturbinen, Feuerungstechnik und Industrieofenbau, Umformwerkzeuge und Gesenke.
Kaltzähe Stähle DIN EN 10269DIN EN 10222-1/-2/-3
Maschinenbauteile im Tieftemperaturbereich, Fahrzeugteile für extreme Einsatzfälle, Federn und dynamisch hochbelastete Anwendungen.
Nichtrostende Stähle DIN EN 10222-5DIN EN 10250-1/-4
Armaturen für die Chemie- und Nahrungsmittelindustrie, Bauteile im Schiffbau, Beschläge für die Bauindustrie, Besteck-, Schneid- und Hausratwaren, Schrauben, Befestigungselemente und Drahtseile in Feuchtbereichen.
AFP-Stähle DIN EN 10267 Einsatzbereiche wie Vergütungsstähle, jedoch kostengünstige Motoren- und Fahrwerksteile mit hoher dynamischer Belastung wie Pleuelstangen, Kurbelwellen, Lenkungsteile, Antriebswellen und Achsen.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 14
Schmiedbare Werkstoffe III
Medizinische Bauteile(Hüftprothesen) ausTitan
Für besondere Anwendungsfälle werden auch Werkstoffe wie Titan, Aluminium, Nickel-Legierungen und AFP-Stähle massivumgeformt.
Vorderrad-Schwenk-lager aus Aluminium
TemperaturfesteTurbinenschaufeln ausNickel-Legierungen
Lkw-Pleuelstange ausAFP-Stahl (ausschei-dungshärtender-ferritisch-perlitischerStahl)
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 15
Faserverlauf I
Ein optimaler Faserverlauf erhöht die dynamische Bauteilfestigkeit
Der Faserverlauf entsteht beim Walzen durch Ausrichten von Seigerungen in Längsrichtung. Bei optimaler Umformung bleibt dieser Faserverlauf erhalten und verläuft parallel zur Bauteiloberfläche.
Vierzylinder-Kurbelwelle mit Gegengewichten
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 16
Faserverlauf II
Zweistufig kaltumgeformte Pkw-Getriebewelle
Von links nach rechts zieht sich der Faserverlauf (mit Seigerungskern des Ausgangsmaterials) durch das Bauteil. Eine austretende Faser hätte eine unerwünschte Kerbwirkung zur Folge.
In die beiden Bunde wird die Getriebeverzahnung gefräst. ImZahnbereich steht die Faser senkrecht zur Lastrichtung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 17
Werkzeuggestaltung und Wirtschaftlichkeit
Abhängigkeit der Kosten des Schmiedeteils und des Fertigteils von der Stückzahl
Bedarfsmenge und Losgröße bestimmen die Gestaltung der Werkzeuge,und das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren.
Für hohe Stückzahlen lohnt es sich eher, ein teureres Werkzeug und/oder mehrere Vorformwerkzeuge zu erstellen. Die Fertigungskosten können durch Prozessoptimierung und Automatisierung gesenkt werden. Durch weitere Einsparungen an der spanenden Bearbeitung sinken insgesamt die Kosten.
kleine Stückzahl
geringe Anpassungan Fertigform
mittlere Stückzahl
mäßige Anpassungan Fertigform
große Stückzahl
gute Anpassungan Fertigform
Fertigteil
Schmiedeteil
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Kosten
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Bearbeitung
Fertigung
Werkstoff
Werkzeug
Fertigteil
Schmiedeteil
Fertigteil
Schmiedeteil
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 18
Genauigkeit von Massivumformteilen
Für Gesenkschmiedeteile aus Stahl gelten überwiegend dieMaßtoleranzen nach DIN EN 10243-1.Engere Toleranzen vereinbaren Hersteller und Kunde individuell.Für Freiformschmiedeteile aus Stahl gibt es besondere Toleranzen.
PräzisionsgeschmiedetesKegelradpaar mit Spiralver-zahnung und Kupplungsklauen
= mit herkömmlichen Fertigungseinrichtungen erreichbar.= durch Sondermaßnahmen und in Ausnahmefällen erreichbar.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 19
Technisch mögliche Toleranzen hängen beim Schmiedeteil ab von:
- Der Lage des Maßes. Dickenmaßewerden durch zwei Gesenkhälften gebildetund sind höher zu tolerieren als Höhen- undBreitenmaße (Durchmesser (Du )), dieinnerhalb einer Gravurhälfte erzeugt werden.
- Der Komplexität des Schmiedeteils, dazuwerden Schmiedeteile nach ihrerFeingliedrigkeit unterschieden.
- Gewicht und Größe des Schmiedeteils.
- Der so genannten Stoff-Schwierigkeit (abhängig von der Werkstoff- Güte).
Die Berechnung der Toleranz wird in DIN EN 10243-1 geregelt.Geringere Toleranzen sind durch zusätzliche Maßnahmen möglich und müssen mit dem Hersteller vereinbart werden.
Vermaßung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 20
Hauptverfahren der Schmiedetechnik
Alle Techniken werden im Warmschmiedeverfahren bei rund 1.200 Grad Celsius durchgeführt
In der Schmiedetechnik werdenhauptsächlich fünf Verfahrenverwendet:- Gesenkschmieden,- Stauchen,- Fließpressen,- Freiformschmieden,- Ringwalzen.
Gesenkschmieden Stauchen
Fließpressen Freiformschmieden Ringwalzen
Obergesenk
Stempel
Werkstück
Klemmbacken
Stauchstempel
Werkstück
Werkzeug
Werkstück
Untergesenk
Auswerfer
Sattel
Werkstück
SattelWerkstück
AxialwalzenDornwalze
Hauptwalze
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 21
Maschinen der Schmiedetechnik I
Haupt-Maschinenarten
Arbeitsgebunden Kraftgebunden Weggebunden
Mit linearer Arbeitsbewegung
Mit umlaufender Arbeitsbewegung
Oberdruck-hämmer
Gegenschlag-hämmer
Spindelpressen
HydraulischePressen
Exzenterpressen Kurbelpressen
Stauchmaschinen
RingwalzenReckwalzenQuerwalzen
In der Massiv-umformungkommen dreiverschiedeneMaschinenartenzum Einsatz:
- Arbeitsgebunden,- Kraftgebunden,- Weggebunden.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 22
Maschinen der Schmiedetechnik II
Arbeitsgebunden Kraftgebunden Weggebunden
Pressenmaschinen
Die Maschinenarten sind bezeichnet nach der limitierenden Größe für das Ende des Umformhubes -jede Maschinenart hat ihre Vor- und Nachteile und wird speziell für das zu fertigende Teil ausgewählt
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 23
Hämmer zum Gesenkschmieden I
Zur Schwingungsdämpfung steht derHammer auf einem Dämpferelement
Oberdruckantrieb
Bär
Obergesenk
Untergesenk
Schabotte
Dämpferelemente
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Der Oberdruckhammer(arbeitsgebunden) ist hydraulisch oder pneumatisch betrieben
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 24
Hämmer zum Gesenkschmieden II
Der Gegenschlaghammer istpneumatisch betrieben – ideal für große Stückgewichte
Die gegenläufigen Bewegungen derBären vermindern die Schwingungen
Antrieb
Bär
Obergesenk
Hammergestell
Untergesenk
Unterbär
Hydraulische
Bärkupplung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 25
Pressen zum Gesenkschmieden I
Die Spindelpresse eignet sich fürGroßserien und ist automatisierbar
Sie stellt eine hohe Umformenergiezur Verfügung
Ständer
Stößel
Stößelführung
Spindel
Spindelmutter
Kupplung
Schwungradlagerung
Spindelbremse
Hydraulische Ausrüstung
Ausstoßer
Pneumatischer Gewichtsausgleich
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Pressen zum Gesenkschmieden II
Die Hydraulikpresse bietet einekonstante Maximalkraft über dengesamten Umformweg
Sie ist besonders geeignet für Warm-und Kaltfließpressen mit langenUmformwegen
Hydraulikzylinder
Stößel
Tisch
Maschinen-Ständer
Elektro-Motoren
Hubbalken-Automat
Umformstationen
Materialzuführung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 27
Pressen zum Gesenkschmieden III
Die Exzenterpresse ist wegabhängig undgut automatisierbar bei hohen Hubzahlen
Ständer StößelDruckstangeStößelführungKupplungs-/Bremssystem
GewichtsausgleichStößelverstellung VorgelegePfeilverzahnung Oberer und unterer Auswerfer
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 28
Pressen zum Gesenkschmieden IV
Die Keilpresse ist kippstabil und istideal für außermittiges Schmieden
Ständer
Stößel
Keil
Stößelführung
Kupplungs-/Bremssystem
Gewichtsausgleich
Stößelverstellung
Vorgelege
Pfeilverzahnung
Oberer Ausstoßer
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 29
Automatisierung der Hauptumformmaschinen
Hubbalkensystem Zangenarmsystem
Einlegezange
Transportzangen
Untergesenk
Zangenarme
Zangenschlitten
Fahrantrieb
Querschlitten
Pressenständer
Einlegezange
Antriebseinheit
Transportzangen
Hubbalkensatz
Pressenständer
Untergesenk
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 30
Automatische Warmstufenpressen
Automatische Warmstufenpresse mit vorgeschalteter Induktiv-Erwärmungsanlage
Werkzeugraum einer Warmstufenpresse mit vier Stufen
Warmstufenpressen (z. B. Hatebur) arbeiten vollautomatisch.Die Arbeitsgeschwindigkeit ist stufenlos regelbar und bietet hohe Mengenleistung.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 31
Automatische Fertigungslinie
Anordnung mehrerer Exzenterpressen mit automatischer Verkettungdurch Roboter – der Werker überwacht den Gesamtprozess
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 32
Vorformverfahren I
Die Reckwalze bewirkt durch die Masse-vorverteilung eine Gratoptimierung und Einsparung von Rohmaterial im Schmiedeprozess
Walzenantrieb mit automatischem Zahnspielausgleich
Bremse mit Wasserkühlung und asbestfreien Reibklötzen
Kupplung mit asbestfreien Reibklötzen
Schwungrad mit großem Arbeitsvermögen
Schwinghebel-Automatik AS
Ausgleichszylinder für Längenausgleich
Servoelektrischer Quertransport
Kurbelschwinge für Antrieb AS
Exzenterlagerung der Unterwalze zur Achsabstandsverstellung
Einschubvorrichtung zur Übergabe in die Manipulatorzange
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 33
Vorformverfahren II
Die Querkeilwalze eignet sich für Teile mit rundem Querschnitt, zur Volumenverteilung in einem Arbeitsschritt und für einfache Wellen auch zur Herstellung von Fertigteilen
Walzsegmente
Zentrierlineal
Maschinenständer
Elektromotoren
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 34
Ringwalzen
Typische Radial-Axial-Ringwalzmaschine
Nahtlos gewalzte Ringe sindtypische Produkte derMassivumformung.Das Ringwalzen ermöglichtnahtlose Ringe mit quadratischenund rechteckigen sowie innenund/oder außen profiliertenRingen.Der größte lieferbareDurchmesser liegt heute bei8,0 Meter.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 35
Freiform-Schmieden I
Automatisierte Freiform-Schmiedeanlage in Unterflurbauweise mit freifahrbaremManipulator
Freiform-Schmieden ist das älteste Schmiedeverfahren.Es wird für Einzelstücke, kleinere Serien oder bei hohen Stückgewichten angewandt.
Freiform-Schmiedepresse in Unterflur-bauweise mit integriertem Manipulator aufSchiene
Schmiedesättel
Schmiedesättel
Schmiedepresse
Werkstück
Manipulator
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 36
Freiform-Schmieden II
Langschmiedemaschine mit vier radial angeordneten Werkzeugen.
Werkzeuganordnung einer Langschmiede-maschine zum Rundkneten für hohle gewichts-optimierte Bauteile mit hoher Präzision
Manipulator
Schmiedewerkzeuge
Schmiedemaschine
Werkstück
Manipulator
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 37
Sonderverfahren der Warmumformtechnik
Gesenkwalzen
Querkeilwalzen Taumeln Rundkneten
Diese Sonderverfahren werdeninsbesondere für dieGroßserienfertigung bestimmterTeilefamilien verwendet.
Elektrostauchen
Kontaktelektrode
Hydraulikzylinder
Werkstück
Oberwerkzeug
Untergesenk
Werkstück
Walzkeil Grundwerkzeug
Walzkeil
Werkstück
Untergesenk
Werkstück
Obergesenk
Taumelglocke
Werkstück
Werkzeugsegment
Werkzeug-segment
Ambossplatte
Grundwerkzeug Werkzeugsegment
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 38
Sonderverfahren Halbwarmumformung
Durch die Kombination von Halbwarm-fließpressen und Kaltkalibrierenhergestellte Tripodenwelle
Durch die Kombination von Halbwarmfließpressen und Kaltkalibrieren hergestelltes Gelenkwellenteil,
links Rohteil, rechts Fertigteil
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 39
Kaltmassivumformung
Definition:Kaltmassivumformung = keine Erwärmung der Bauteile bzw. Umformung beginnt bei Raumtemperatur.
Die fertigenden Betriebe sind größtenteils aus dem Mittelstand.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 40
Kaltmassivumformung
Kaltmassivumformung Weltweit 2008 Kaltmassivumformung Europaweit 2008
Jahresproduktion in Tausende Tonnen
Anteil von DeutschlandWeltweit: 24,6%
Jahresproduktion in Tausende Tonnen
Anteil von DeutschlandEuropaweit: 74,7%
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20
50 Frankreich
UK
Spanien
Rest
298 Deutschland
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 41
Kaltmassivumformung
Vorteile Schwierigkeiten
Endkonturnahes Umformen Aufwändige Werkstückbehandlung
Höhere Form- und Maßgenauigkeit als bei Schmiedestücken
Geringerer Umformgrad als bei der Warmumformung
Sehr hohe Werkstoffausnutzung Komplexe Formen schwer umzusetzen
Keine Verzunderung Höherer Werkzeugaufwand
Hohe Oberflächenqualität
Hohe Bauteilfestigkeit durch die Kaltverfestigung
Vorteilhafter Faserverlauf wie bei der Warmumformung
Keine Erwärmung notwendig
Eignung vor allem bei großen Stückzahlen
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 42
Kaltmassivumformung
Typische Verfahren und SonderverfahrenWesentliche Prozesse der Kaltmassivumformung sind:Verjüngen, Fließpressen, Stauchen, Gewindewalzen und Abstreckgleitziehen
GewindewalzenAbstreckgleitziehen Stauchen
Voll-Vorwärts-Fließpressen Ziehen Napf-Rückwärts-Fließpressen Rundkneten
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 43
Kaltmassivumformung
Beispielhafte Bauteile
Kupplungsrad (Fahrrad) | 18g
Antriebskreuz (Kardanwelle) |1000g
Lenkungsgabel (Automotive) | 160g
Getriebewelle5000g
Schaftgehäuse (PKW Spurstange) | 290g
Schalthebel(PRINZ) | 209g
Passschraube(KAMAX) | 13g
Zahnritzel(acrument) | 137g
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 44
Kaltmassivumformung
Sonderverfahren
Kombination der Warm- und Kaltumformung
• Genau auszuwählende Verfahren sind von der Prozesskette abhängig
• Kriterium für ein sinnvolle Kombination: Nur Kaltumformung würde mind. ein Zwischenglühen erfordern
• Direkte Konkurrenz: Warmumformung und Spanen
WarmumformungHohes Umformvermögen
KaltumformungHohe Präzision
Primäre Formgebung bei erhöhter Temperatur ermöglicht hohe Umformgrade
Bauteilgerechte Fertigmaße und Oberflächengüten im kalten Zustand erreichbar
PlanetenträgerKombination Warm- und Kaltumformung
FestgelenkKombination Halbwarm- und Warmumformung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 45
Kaltmassivumformung
Werkstoffe und Maschinen
Klassisches Material der Kaltumformung:Vorzugsweise unlegierte Einsatz- und Vergütungsstähle mit einem C-Gehalt bis max. 0,5 % geeignet (Legierungsanteile max. 5 %).
Hydraulische Presse
Coilwww.asia.ru
Bearbeitbare Materialienarten:• Stahl• Bundmetalle• Aluminium• Edelstahl
Rohlingformen:• Abschnitte• Coil
Arten von Pressen:Antriebsart:• Mechanische Pressen• Hydraulische Pressen• Servo-Motor Pressen
Anzahl der Stufen:• Mehrstufenpresse• Einstufenpressen
Bauart:• Horizontal• Vertikal
Werkzeuge einer Mehrstufenpresse
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 46
Kaltmassivumformung
Prozesskette
Vorbehandlung Beschichtung Umformung NacharbeitGlühen
• Entschichten• Glühen• Spanen• Gewindewalzen
• Schmierstoffträgerschicht (z.B.: Zinkphosphat)
• Schmiermittel (z.B.: Seife, MoS2)
• Neue Schmierstoffsysteme
• Abscheren• Strahlen
Umformung erfolgt meistin mehreren Stufen
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 47
Kaltmassivumformung
Aktuelle Trends und Entwicklungen
• Funktionsintegration: Integration von zusätzlichen Funktionen in Bauteile• Neue, festere Werkstoffe• Einbaufertige Bauteile• Reduzierung der wirtschaftlichen Mindeststückzahl• Phosphatfreie Umformung / Alternative Schmierstoffe
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 48
Arbeitsgänge vor dem Schmieden I
Je nach Materialhärte, Querschnitt und geforderter Trenngeschwindigkeit kommen verschiedene Trennsysteme für das Vormaterial zum Einsatz.
Sägen bietet den Vorteilhöchster Genauigkeit undQuerschnitte, dafür aberMaterialverlust, längereTaktzeiten und höhereKosten
Kaltscheren hat folgende Vorteile: geringer Materialverlust,kurze Taktzeit. Nachteil: BegrenzteQuerschnitte (bis maximal 150 mm)
Warmscheren ist unabhängigvon der Werkstoffhärte und gutgeeignet für die Integration inschnelllaufende automatisierteSchmiedeprozesse
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 49
Arbeitsgänge vor dem Schmieden II
Induktive Erwärmungsanlage
Induktive Erwärmung der Vormaterial-Abschnitte aufUmformtemperatur von ca. 1.250 °C
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 50
Prozessschritte bei der Herstellung
Untergesenk Vorschmiedeform
Untergesenk Fertigschmiedeform
Abgrat-Schnitt Abgrat-Stempel
Fertigungsstufen einer gesenkgeschmiedeten Kurbelwelle v. l. n. r.:- Stahlabschnitt,- Vorgewalzter Abschnitt,- Vorschmiedeform,- Fertigschmiedeform,- Schmiedeteil und
abgescherter Grat,- Kurbelwelle.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 51
Arbeitsgänge nach dem Schmieden
Abgraten und Lochen Nachformen (z.B. Biegen, Maßprägen, Aufweiten)
Durch Abgraten und Lochenwerden Grat und Butzen entfernt.
Nachform-Arbeitsgänge ersparen Werkstoff- undBearbeitungskosten, reduzieren Maßabweichungen und machen Hinterschneidungen möglich.
Abgratstempel
Schmiedeteil mit Grat
Schnittplatte
Grat
Schmiedeteil
Lochstempel
Schmiedeteilmit Spiegel
Lochplatte
Schmiedeteil
Innengrat(Spiegel)
Schmiedeteil
Schmiedeteil
Schmiedeteil
Arm nach demBiegen undMaßprägen
Arm vordem Biegen
Augen inSchmiede-ausführung
Vor derAufweitung
Nach derAufweitung
Augen aufMaß geprägt
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 52
Sonderverfahren in der Weiterverarbeitung
Das Brechen („cracken“) des Pleuelauges wird durch Druck auf den Spaltkeil erreicht
Die beiden Bruchflächen sind individuell und bieten hohe Passgenauigkeit bei geringem Aufwand
Das untere Pleuelauge wird durch einen Keil definiert gebrochen, um eine exakte Passgenauigkeit zuerzielen – das spart die Arbeitsgänge Sägen und Fräsen. Die individuellen Bruchflächen werden zurpassgenauen Verzahnung verwendet.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 53
Verfahrenskombinationen
Stoßdämpferöse: Gesenkgeschmiedetund gestaucht
Anhängerachse:Gesenkgeschmiedetund geschweißt; Leichtbau mit Werkstoffkombination
Durch Verfahrenskombinationen lassen sich mehrachsige Umformungen zur Darstellung der komplexen Geometrie an Bauteilen verwirklichen.
Zahnrad mit Innenverzahnung: Halbwarmgeschmiedetund kaltkalibriert; sehr hohe Maßgenauigkeit der Zahnflanken
Lkw-Traghülse: Gesenkgeschmiedet und warmfließgepresst; mehrstufige Umformung
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 54
Werkzeuge zum Schmieden
Freiformschmieden: Verschiedene Sattelformen
Zum Freiformschmieden werden Sättel mit unterschiedlichen Arbeitsflächen verwendet.Gesenke geben die Negativform des Werkstücks wieder und sind deshalb formgebundene Verfahren.
Flachsättel
Spitzsättel
Rundsättel
Einfachgesenk Mehrfachgesenk Mehrstufengesenk
Untergesenke
Gesenkschmieden: Typische GesenkartenGeschlossenes Gesenk Gesenk mit mehreren Teilfugen
UntergesenkAuswerfer
Obergesenk
Gesenk-aufnahme
Bewegliche Gesenkhälftengeschlossen
bewegliche Gesenk-Hälften geöffnet
Auswerfer
Schmiedeteil
Gesenk-aufnahme
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 55
Werkzeugbau: Herstellung von Gesenken und Werkzeugen
Ablauf der Gravurherstellung
Die Gravur eines Gesenks wird durch Erodieren oder HSC-Fräsen erstellt.Die Gravuroberflächen werden zur Erhöhung der Standmengen mit verschiedenen Verfahren veredelt (z. B. Schleifen, Polieren, Nitrieren, Hartverchromen).
Der Fräskopf der HSC-Fräsmaschinedreht sich mit bis zu 40.000 U/min
CAD-Konstruktion
der Gravurgeometrie
CNC-Fräsen der Gravur
Feinbearbeitung des Gesenks
Fertiges Gesenk
Erodieren des Gesenks
Fräsen derElektrode
Oberflächenveredelung der Gravur
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 56
Wärmebehandlung der Schmiedeteile I
Schematische Darstellung der Wärmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl
Ac3: Temperatur, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit bei einem Wärmen endet,Ac1: Temperatur bei der die Bildung des Austenits beim Erwärmen beginnt,RT: Raumtemperatur.
Normalglühen (N)*Austenitisieren und Abschrecken
Vergüten(V)
Vergüten aus der Schmiedewärme (VS) Weichglühen (G oder BF)
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 57
Wärmebehandlung der Schmiedeteile II
Rechts: Schematische Darstellung der wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren für Gesenkschmiedeteile aus Aluminium
Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen, isothermisch umwandeln (BG oder BF)
Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen,kontinuierlicher Verlauf (P)
Links: Schematische Darstellung derWärmebehandlungsverfahren beiGesenkschmiedeteilen aus Stahl
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 58
Oberflächenbehandlung I
Nach dem Schmieden wird im kalten Zustand das Werkstück durch Reinigungsstrahlenentzundert. Die Korngrößen liegen zwischen 0,8 und 2,8 Millimeter.
Als Strahlmittel finden Drahtkorn (1.400 – 2.000 N/mm2)oder Stahlgussschrot (45 – 50 HRC) Verwendung.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 59
Sicherung der Qualität von Schmiedeteilen
Mit dem gelben Werkstück (auch „Einstellmeister“oder Referenzstück) wird die Maschine kalibriert
Mit einem Mehrstellenmessgerät wird das fertige Werkstück auf Maßhaltigkeit geprüft. Die Prüfungen erfolgen stichprobenartig oder bis zu 100 Prozent bei Sicherheitsteilen (z. B. bei Flugzeugteilen).
Grafische Darstellung einer Qualitätsregelkartezum Nachweis der Prozessstabilität
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 60
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung I
Die untere grüne, zackige Linie auf demMonitor zeigt den Materialfehler an
Bei Betrachtung unter UV-Licht werdenOberflächenfehler an Werkstücken sichtbar
Magnetresonanz-Verfahren: Das Vormaterial wird durch ein Magnetfeld angeregt. Fehler (Resonanzen) werden auf einem Monitor sichtbar.
Magna-Flux-Verfahren: Am magnetisierten Bauteil lagern sich ferromagnetische Partikel bevorzugt an Oberflächenfehlern an.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 61
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung II
Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bleibt das Bauteil erhalten und kann weiter verwendet werden. Dies ermöglicht auch eine 100-Prozent-Prüfung (z. B. bei Flugzeug-Bauteilen).
Härteprüfung nach Vickers mit Pyramide und Eindruckfläche
Härteprüfung nach Brinell mit Kugel und Eindruckdurchmesser(10; 5; 2,5 und 1 mm)
Härteprüfung nach Rockwellmit Kegel und Messung derEindrucktiefe
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 62
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung III
Ultraschall-Prüfung
Dieses Verfahren findet für magnetisierbare und nicht-magnetisierbare Werkstoffe Anwendung.
Dieser Materialfehler (Chevron= Winkel) bildet sich durch zu hohe Fließgeschwindigkeit
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 63
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung IV
Ultraschall-Prüfung Monitor-Bild
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 64
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung V
Farbeindring-Verfahren (Kapillar-Verfahren)
Eine spezielle Farbe wird auf das Werkstück aufgetragen, die in die Risse eindringt. Nach Abspülen und anschließendem Aufbringen von Entwickler werden die Risse erkennbar. Dieses Verfahren findet für nicht-magnetisierbare Metalle Anwendung.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 65
Zerstörende Werkstoffprüfung I
Zerstörende Werkstoffprüfungen für die Zugfestigkeit und die Kerbschlagarbeit werden in „auf das Fertigungslos bezogenen“ Stichproben durchgeführt. Das Prüfstück wird aus dem fertigen Bauteil hergestellt.
Versuch zur Ermittlung der Zugfestigkeit Kraft-Weg-Diagramm des Zugversuchs
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 66
Zerstörende Werkstoffprüfung II
Die Kerbschlagprüfung ist eine zerstörende Werkstoffprüfung. Das Prüfstück wird auch hierbei aus dem fertigen Bauteil hergestellt.
Bei der Kerbschlagprüfung schlägt ein Pendel aufden Prüfkörper. Die verbrauchte Energie (in Joule)ist die Differenz zwischen der Pendelhöhe H und h.Sie ist das Maß für die Zähigkeit des Werkstoffes
Der angekerbte Prüfkörper ist10 x 10 x 50 Millimeter groß undwird von dem Pendel gebrochen
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 67
Spanende Bearbeitung von Schmiedeteilen
Als Schneidwerkzeuge kommen Hochleistungsschnellstahl (HSS), unbeschichtete und beschichtete Hartmetalle (HM) und Keramiken zum Einsatz.
Schneidstoffe f = 0,2 mm f = 0,4 mm Schneidstoffe f = 0,02 x d
unbesch. HM 225 190 besch. HSS 25
besch. HM 290 230 besch. Hartmetall 90
Schneidkeramik* 650 500
unbesch. HM 180 160 besch. HSS 18
besch. HM 250 190 besch. Hartmetall 70
Schneidkeramik* 550 450
Schneidstoffe fz = 0,12 mm fz = 0,25 mm Schneidstoffe f = m (Steigung)
unbesch. HM 300 250 besch. HSS 10
besch. HM 200 180 besch. HSS 8
Fräsen Wendeschneidplatten Gewinden
Drehen Bohren
Härte HB
190-220
220-250
190-220
220-250
Schnittgeschwindigkeit vc (m/min)
Schnittgeschwindigkeitsempfehlungen für die spanende Bearbeitung von Schmiedeteilen
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 68
Schmiedeteile im Wettbewerb
Durch den Einbau eines Schmiedeteilssanken die Kosten deutlich
Die geschmiedete Steckachse istkostengünstiger, erspart nachträglichesVergüten und reduziert dieAusschussrate
Gegenüber dem gegossenen Bauteil bietet beispielsweise die hier gezeigte geschmiedete Steckachseüberlegene Werkstoffeigenschaften und hohe Prozesssicherheit.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 69
Formenvielfalt im Fahrzeugbau I
Fahrwerksteile für den Automobil-bau aus Stahl und Aluminium
Motorenteile sind überwiegendaus Stahl warm umgeformt
Getriebeteile aus Stahl – warmgeschmiedet und kalt kalibriert
Im Automobilbau sind spezielle Eigenschaften erforderlich, die durch Warm-, Halbwarm- und Kaltumformung oder eine Kombination mehrerer Bearbeitungsstufen erzielt werden.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 70
Formenvielfalt im Fahrzeugbau II
Antriebs- und Achsteile: Warm,halbwarm- und kalt umgeformt
Getriebewellen sind häufigkaltfließgepresst
Durch Verfahrenskombinationen von Warm, Halbwarm und Kalt werden erhöhte Genauigkeiten und feinere Strukturen erreicht.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 71
Formenvielfalt im Fahrzeugbau III
Die hohen Drehmomente in den Getrieben der heutigen Dieselmotoren können nur hochbelastbare Schmiedeteile übertragen. Die Teile sind kalt-und warmumgeformt oder auch kombiniert gefertigt.
Schnitt durch ein Mercedes-Benz 7G-Tronic, Automatik-Getriebe
Zahnräder
Wellen
Parksperrenrad
Planetenträger
Die hohen Drehmomente in den Getrieben der heutigen Dieselmotoren können nur hochbelastbare Schmiedeteile übertragen. Die Teile sind kalt-und warmumgeformt oder auch kombiniert gefertigt.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 72
Formenvielfalt im Fahrzeugbau IV
Geschmiedete Teile erfüllen hohe Anforderungen an Dauerschwingfestigkeit, Leichtbau und kostengünstige Herstellung.
Achszapfen
Antriebswelle
Traghebel
Radträger
DifferenzialMercedes-Benz, Pkw-Hinterachse, angetrieben
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 73
Formenvielfalt im Fahrzeugbau V
Radaufhängungen müssen die Kriterien an Fahrdynamik, Fahrkomfort, Bauteilgröße, Gewicht und Modulfähigkeit (Plattform-Systeme) erfüllen.
Oberer Querlenker
Unterer Querlenker
Kreuzgelenk
Achszapfen
Radträger rechts
Radträger links
Mercedes-Benz, Pkw-Vorderachse ohne Antrieb
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 74
Formenvielfalt im Fahrzeugbau VI
Das FEM-strukturoptimierte Bauteil ist ausAluminium hergestellt
Im Fahrzeug-bau streben die Ingenieure nach möglichst leichter Bauweise. Dies erspart Kraftstoff, CO2-Emissionen und verbessert Komfort und Dynamik.
Die geringere ungefederte Masseerhöht den Federungskomfort
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 75
Formenvielfalt im Fahrzeugbau VII
Vorderradführung, Aluminium, geschmiedet
4-Zylinder Motorrad-Kurbeltrieb mit integrierten geschmiedeten Zahnrädern zurNockenwellensteuerung
Kurbelwelle Pleuel
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 76
Formenvielfalt im Fahrzeugbau VIII
Der Ventiltrieb muss extrem hohe Beschleunigungen und Temperaturenaushalten. Geschmiedete Bauteile erfüllen diese Anforderungen.
Ventiltrieb (Vierventiler) eines Dieselmotors
Kipphebel
Stößelstangen KFP-Teile
Ventilbrücke
Nockenwelle
Ein- und Auslassventile
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 77
Formenvielfalt im Fahrzeugbau VIII(a)
In extrem belasteten Bereichen erhöhen geschmiedete Bauteile die Betriebssicherheit.
Doppel-Pendelachse mit Zwillingsbereifung an einem Nutzfahrzeug
Lenker-Augen
Differenzialgetriebe
Blattfeder-Halter
Zahnräder im
Differenzialgetriebe
Kardanwelle
Antriebswelle
Planetengetriebe
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 78
Formenvielfalt im Fahrzeugbau VIII(b)
In extrem belasteten Bereichen erhöhen geschmiedete Bauteile die Betriebssicherheit.
Doppel-Pendelachse mit Zwillingsbereifung an einem Nutzfahrzeug
Differenzial-Getriebe
Blattfeder-Halter
Kardanwelle
Flanschmitnehmer
für die Kardanwelle
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 79
Formenvielfalt im Fahrzeugbau IX
Die einzelnen Bauteile einer Kardanwelle müssen hohe Drehmomente übertragen und zudem wartungsfrei sein.
Kardanwelle mit Kreuzgelenken
Flansch-Mitnehmer
Zapfenkreuz
Gelenkgabel
Hohlwelle
Anschweißgelenkgabel
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 80
Formenvielfalt im Fahrzeugbau X
Die extremen mechanischen und dynamischenBeanspruchungen an schweren Baumaschinen bewältigen geschmiedete Bauteile in idealer Weise.
Planierraupe mit Aufreißer
Antriebskranz-Segment
Schaufel-Gelenke
Zylinder-Augen
Aufreißzahn
Antriebskranz
Kettenführung
Tragrollen
Kettenglieder
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 81
Formenvielfalt im Fahrzeugbau XI
Geschmiedete Bauteile erfüllen eine lange Lebensdauer und besitzen hohe Sicherheitsanforderungen bei Schienenfahrzeugen. Links: Drehgestell eines Waggons.
Untere Drehpfanne
Bremshebelverbinder
Achse
Gleitstück
Bremshängeeisen
Bremsklotzhängeeisen
Bremshebel
Bremsdreieck
Bremsklotzschuh
Radreifen
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 82
Einsatz in Rohrleitungs-Armaturen
Links: Schieber zum direkten Einschweißen in Rohrleitungen.Rechts: Schieber mit Schraubflanschen
Schieber sind korrosions- und säurebeständig. Sie werden für flüssige und gasförmige Medieneingesetzt.
Handrad
Bügelkopf
Bügelarme
Stoffbuchsbrille
Haube
Gehäuse
Flansche
Sitzringe
Augenschraube
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 83
Einsatz im Flugzeugbau
Der vierstrahlige Airbus A 380vertraut auf Schmiedetechnik
Neben dem Einsatz in Strahltriebwerken kommen Schmiedeteile auch an hochbelasteten Stellen wie den Tragflächen, den Höhen- und Seitenleitwerken sowie dem Fahrwerk zum Einsatz.
Niederdruckverdichter
Blisks
Hochdruckverdichterschaufeln
Turbinenwelle Turbine
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 84
Einsatz in Windenergieanlagen
Blick in das Maschinenhaus einer modernenWindenergieanlage
Antriebswellen
Generator
Planetengetriebe
Blattverstellung Rotor-Pitch
Scheibenbremse
Verbindungsringe für Stahlrohrtürme
Großwälzlager mitAzimut-Verstellung
Rohlinge für Zahnräder, Wälz- und Gleitlager
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 85
Teilevielfalt in der Schmiedetechnik
Massivumformteile sind zu 97 Prozent aus Stahl, hinzu kommen Aluminiumund Titan sowie Buntmetalle wie Kupfer, Messing und Nickellegierungen
Mit Hilfe verschiedener Umformverfahren wie der Warm-, Halbwarm- und Kaltumformung und deren Kombination lässt sich eine Vielzahl an spezialisierten Bauteilen herstellen - mit Bauteilgewichten von wenigen Gramm bis zu mehreren Tonnen beim Freiformschmieden.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 86
Bauteiloptimierung
FEM-Programme (Finite-Elemente-Methode) bieten schon in der Konstruktions-phase die Möglichkeit der Gewichts- und Geometrie-Optimierung.
Die Abbildung zeigt einen Lenkhebel mit generierter FEM-Gitterstruktur
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Entwicklungskette I
Von der Spezifikation bis zur Produktion durchläuft z. B. einHinterrad-Träger rechnergestützt die oben genannten Stationen
Konstruktion, Werkzeugbau und Produktion sind eng miteinander verknüpft, um die gewünschte Kundenanforderung zu erfüllen.
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung
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Spezifikationen / Lastenheft
BauteilentwicklungBauteiloptimierung
Prozessentwicklung
Produktion / Bearbeitung
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 88
Entwicklungskette II
Beispiel: Der Kunde gibt den Bauraum und die geforderten Eigenschaften für ein Vorderrad-Schwenk-lager eines Pkw aus Aluminium vor. Hieraus entsteht ein Grobmodell und daraus der Schmiedeteilentwurf
Konstruktion, Werkzeugbau und Produktion sind eng miteinander verknüpft um die gewünschte Kundenanforderung zu erfüllen.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 89
Entwicklungskette III
Mit Hilfe von Konstruktions-Software (z. B. CATIA) wird derSchmiedeteilentwurf nach den geforderten Belastungsgrenzen diskretisiert.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 90
Entwicklungskette IV
Linear-elastische FEM-Simulation mit Darstellung der Bauteilspannungen.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 91
Simulation I
Simulation erfordert Hochleistungshardware für schnellste Berechnung der Finite-Elemente-Simulationen mit Hilfe eines „Cluster“.
Cluster aus neun Prozessoren und
einem Steuerungsrechner
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 92
Simulation II
Sichtbarer Fehler aufgrund fehlendenMaterials oder ungünstiger Gesenkform
Anhand der Stoffflusssimulation können die Konstrukteure bereits im Vorfeld erkennen, ob sich das Material beim Schmiedeprozess optimal im Gesenk verteilt.
Sichtbarer Stich durch fehlerhafte Form dervorherigen Arbeitsstufe(n)
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 93
Simulation III
Gabelstück im Schmiedeprozess
Die Stofffluss-Simulation ermöglicht die Betrachtung des Schmiedevorgangs und eventuell vorhandener Fehler am entwickelten Werkzeug.
Getriebewelle
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 94
Simulation IV
Zudem lässt sich vorab die Belastung des Werkzeugs simulieren. Die farbliche Abstufung zeigt die Vergleichsspannung.
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Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 95
Bild- und Informationsquellen
Acument Global Technologies, Inc.BMW AGBombardier AGBPW AGBuderus Edelstahlwerke-Schmiedetechnik GmbHCaterpillar AGCDP Bharat Forge GmbHDango & Dienenthal GmbHDaimler AGFEMUTEC / simufact engineering GmbHGKN GmbHHatebur AGHammerwerk Fridingen GmbHHirschvogel Automotive GroupKamax-WerkeKarl Diederichs KG
Lasco Umformtechnik GmbH Mahle Brockhaus GmbHMüller-Weingarten AGPratt & WhitneyPresswerk Krefeld GmbH & Co. KGPrinz Verbindungselemente GmbHRäuchle GmbH + Co. KGSchubert Maschinen und Anlagen GmbHSchuler GroupSiepmann Persta GmbHSITEMA GmbH & Co. KGSMS GroupThyssenKrupp Gerlach GmbHThyssenKrupp Presta AGVolkswagen AGZeller + Gmelin GmbH & Co. KG
Wir bedanken uns bei folgenden Unternehmen für die freundliche Unterstützung mit Bildmaterial und technischen Informationen:
Copyright 2011. Alle hier gezeigten Abbildungen, Fotos und Texte sind urheberrechtlich geschützt.Auszugsweise Wiedergabe des Inhaltes nur mit Quellenangabe gestattet.Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V., Goldene Pforte 1, 58093 Hagen, Deutschland.Im Internet unter: www.metalform.deZurück zum Inhaltsverzeichnis >>
Impressum
HerausgeberInfostelle Industrieverband Massivumformung e. V.
Redaktion und verantwortlich für dieGesamtherstellung Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V.
ManuskriptIng. Horst Apholt
GestaltungPeter KanthakFreiberuflicher Grafik Designer, Wickede
VerlagInfostelle Industrieverband Massivumformung e. V.Goldene Pforte 158093 HagenDeutschlandTelefon: +49 23 31 9588-30Telefax: +49 23 31 9587-30E-Mail: [email protected]: http://www.metalform.de
USt-IdNr.: DE 125 127 673Druckschriften Nr.: BW-411Printed in Germany
Nachdruck Januar 2014
ISBN: 978-3-923726-26-9
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. AuszugsweiseWiedergabe des Inhaltes nur mit Quellenangabe gestattet.Den Veröffentlichungen der Infostelle IndustrieverbandMassivumformung e. V. liegen die Ergebnisse derGemeinschaftsforschung der im IndustrieverbandMassivumformung e. V. zusammengeschlossenenUnternehmen zugrunde.
Bildquellen:Die nachfolgend aufgeführten Firmen/Institutionen habendurch Quellenmaterial die bildliche Ausgestaltung dieserPräsentation unterstützt.
96Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung
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Literaturverzeichnis
Geschichtliche Entwicklung
Pischel, H.:Geschichte des Massiv- und Blechumformens. Krefeld: K. Dannat 1987
Sonnenschein, F. H.:Die Technikgeschichte des Schmiedens.Technische Kulturdenkmale 14 (1985) S. 12/17
v. Wedel, E.:Die Geschichtliche Entwicklung des Umformens in Gesenken.Düsseldorf: VDI-Verlag 1960
Branchenportrait
Vieregge, K.:Gesenkschmieden in Deutschland – im Zeichen des Wandels. Umformtechnik 27 (1993) 3
Voigtländer, O.:Perspektiven der Massivumformung in den 90er Jahren.Werkstatt und Betrieb 121 (1988) 7. S. 561/567
Gestaltung von Schmiedeteilen
DIN 7523 (gültige Ausgabe 1986-09):Schmiedestücke aus Stahl;• Teil 2_09.86: Bearbeitungszugaben, Seitenschrägen,Kantenrundungen, Hohlkehlen, Bodendicken, Wanddicken,Rippenbreiten und Rippenkopfradien
DIN 7527:Schmiedestücke aus Stahl;• Teil 1_10.71: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür freiformgeschmiedete Scheiben• Teil 2_10.71: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür freiformgeschmiedete Lochscheiben• Teil 3_10.71: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür nahtlos freiformgeschmiedete Ringe• Teil 4_01.72: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür nahtlos freiformgeschmiedete Buchsen• Teil 5_01.72: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür freiformgeschmiedete, gerollte und geschweißte Ringe• Teil 6_02.75: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungenfür freiformgeschmiedete Stäbe
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 97
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Literaturverzeichnis
DIN EN 10 243:Gesenkschmiedeteile aus Stahl• Teil 1_12.95: Warm hergestellt in Hämmern und PressenMaßtoleranzen Deutsche Fassung EN10 243-2:1995
DIN 17 864:02.93: Schmiedestücke aus Titan und Titan-Knetlegierung(Freiform- und Gesenkschmiedestücke)
DIN Normenheft 7:Anwendung der Normen über Form- und Lagetoleranzen in derPraxis.4. Auflage Berlin und Köln; Beuth-Verlag 1987
Breuer, H.-W.:Gestaltung beanspruchungs- und fertigungsgerechterSchmiedeteile.Konstruktion 43 (1991) S.285/291
Dahme, M. and u. a.:Gemeinschaftliche CAD/CAM- Entwicklungen: Basis fürSimultaneous Engineering.Schmiede-Journal (1995) September S. 17/18
Herstellung von Schmiedeteilen
Dahme, M. und Hirschvogel, M:Möglichkeiten und Grenzen der Kalt-, Halbwarm- undWarmumformung. Werkstatt u. Betrieb 124 (1991), S. 865/868
Düser, R.:Gesenkwalzen – Ein Maximum an Präzision bei einem Minimum anMaterial- und Energieeinsatz. Umformtechnik 26 (1992) 1, S. 33/40
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 98
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Elsinghorst, D.:Neues Maschinenkonzept: Präzisions-Schmiedehammer.Schmiede-Journal (1997) September, S. 26/28
Groene, S.:Axiales Gesenkwalzen – ein Verfahren der Warmformgebung zurHerstellung von rotationssymetrischen Schmiedeteilen für dieKraftfahrzeugindustrie, Thyssen Techn. Ber. 18 (1986) 2,S. 353/360
Jung, H.:Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit nach dem Schmiedeprozessdurch Warm- und Kaltprägen, VDI-Z 133 (1991) 11, S. 49/56
König, W. und Klocke, F.:Fertigungsverfahren Bd. 4 Massivumformung DüsseldorfVDI-Verlag 1995
König, W. und Klocke, F.:Fertigungsverfahren 4 - UmformenSpringer-Verlag 2006
Körner. E. u. a.:Möglichkeiten des HW-Fließpressens in Kombination mit demKaltfließpressen. Symposium „ Neuere Entwicklungen in derMassivumformung“ 28./29.05.91 Fellbach.
Lange, K. und Meyer-Nolkemper, H.:Gesenkschmieden 2. Auflage Berlin, Heidelberg New York:Springer-Verlag 1977
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Werkstoffeigenschaften
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Literaturhinweise
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Literaturhinweise
101Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung
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Hersteller von Massivumform-ProduktenDie aktuellen Liefermöglichkeiten der Mitgliedsfirmen im Industrieverband Massivumformunge. V., sind in sechs verschiedenen Herstellerverzeichnissen (Gesenkschmiedeteile, Stauchteile,Warmfließpressteile, Kaltfließpressteile, Freiformschmiedeteile und gewalzte Ringe) genannt.
Die Herstellerverzeichnisse finden Sie als kostenlosen Download (pdf-Datei) im Internet unter:
www.metalform.de
Anhang
Massivumformteile – Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 102
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