Basiswissen. Einleitung. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung

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1 Einleitung Basiswissen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 1

2 Inhalt Foliennummern Thema 30 Vorwort 4-80 Geschichte des Schmiedens 9-11 Statistische Angaben zur Produktion Schmiedbare Werkstoffe Faserverlauf 17 Werkzeuggestaltung und Wirtschaftlichkeit Genauigkeit von Massivumformteilen 20 Hauptverfahren Maschinen der Schmiedetechnik Automatisierung Vorformverfahren 34 Ringwalzen Freiformschmieden 37 Sonderverfahren der Warmumformtechnik 38 Sonderverfahren der Halbwarmumformung Kaltmassivumformung Arbeitsgänge 53 Verfahrenskombinationen Werkzeuge Wärmebehandlung 58 Oberflächenbehandlung Qualitätssicherung und Werkstoffprüfung 67 Spanende Bearbeitung 68 Schmiedeteile im Wettbewerb Formenvielfalt Einsatzgebiete 85 Teilevielfalt in der Schmiedtechnik 86 Bauteiloptimierung Entwicklungskette Simulation 95 Bild- und Informationsquellen 96 Impressum Literaturhinweise 102 Anhang HINWEIS: Um die Verlinkungen zu aktivieren und nutzen zu können, wechseln Sie von der Normalansicht in die Bildschirmpräsentation. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 2

3 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 CO 2 -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, Dr. Frank Springorum Vorsitzender des Vorstands Industrieverband Massivumformung e. V. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 3

4 Die Schmiedekunst ist bereits Jahre alt Schmieden ist eine der ältesten Arbeitstechniken der Menschen. Bereits um v. Chr. wurden Metalle durch Schmieden verarbeitet. Ab v. Chr. gab es erste Kupferlegierungen, man sprach von der Bronzezeit. Skizze aus den Darstellungen am Grabe des Rechmirê, Wesir in der XVIII-Dynastie (ca v. Chr.) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 4

5 Schmieden durch die Jahrtausende I 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. Mittelalterlicher Rennfeuer -Betrieb mit Schmiede. Die Verhüttung und die Esse wurden damals mit Holzkohle betrieben Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 5

6 Wasser- und Dampfkraft ersetzen die Muskelkraft Wasserkraftgetriebener Eisenhammer (um 1780) Dampfhammer Fritz, Standort Essen (um 1860) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 6

7 Der Beginn des Schmiedens Die damaligen Schmieden produzierten mit transmissionsgetriebenen Hämmern umfassende Produktpaletten an Schmiedeteilen für die Eisenbahn, den Automobilbau und für Landmaschinen. Blick in die Produktionshalle der Schmiedag in Hagen (um 1910) Produktpalette der Gesenkschmiede Schöneweiss (um 1910) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 7

8 Entwicklung der Schmiedetechnik Die Entwicklung der Gesenkschmiedetechnik ermöglichte: - Steigende Losgrößen für den Fahrzeugbau. - Weiterentwicklung und Spezialisierung der Stahlsorten. - Neue Techniken in der Herstellung von Werkzeugen. - Entwicklung neuer Maschinentypen, neuer Verfahren, neuer Verfahrenskombinationen und Automatisierung. Blick in die Produktionshalle einer verketteten automatisierten Schmiedeanlage Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 8

9 Produktion der deutschen Massivumformung Massivumformprodukte im Jahr 2010 Herstellergruppen Produktion in 1000 t Anteil in % Gesenkschmiedeindustrie Hersteller von Flanschen 68 3,5 Hersteller von Rohrleitungsformstücken 95 4,8 Hersteller von Kaltfließpressteilen 175 8,9 Hersteller von Freiformschmiedestücken ,8 Produktion Massivumformprodukte gesamt Knapp zwei Drittel der gesamten Schmiedeproduktion in Deutschland entfällt auf Gesenkschmieden. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 9

10 Absatzmärkte von Massivumformprodukten I Mehr als ein Drittel aller massivumgeformten Teile wird exportiert. Der Fahrzeugbau nimmt zusammen mit den Systemherstellern über 80 Prozent der gesamten Produktion ein. Sonstige 5% Maschinenbau 10% Inland 65% Export 35% Pkw 34% Systemhersteller 36% Lkw 15% Prozentanteile der Liefermengen von Gesenkschmiedeteilen aus Stahl im Jahr 2009 in Tonnen. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 10

11 Absatzmärkte von Massivumformprodukten II Deutschland ist mit Tonnen in 2008 weltweit die Nummer zwei. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 11

12 Schmiedbare Werkstoffe I Zum Schmieden eignen sich bis auf wenige Ausnahmen alle Metalle und Metall-Legierungen. Aus über Stahlsorten kann die Stahlsorte für den wirtschaftlichsten Einsatz ausgewählt werden. Stahlgruppen Normblatt Umformverhalten unterschiedlicher Werkstoffgruppen Unlegierte Baustähle DIN EN DIN EN /-2 Vergütungsstähle DIN EN /-2/-3 Einsatzstähle DIN EN Nitrierstähle DIN EN Stähle für Flamm- und DIN EN /-2/-3 Induktionshärten Wälzlagerstähle DIN EN ISO Warmfeste Stähle DIN EN DIN EN /-2 Kaltzähe Stähle DIN EN DIN EN /-2/-3 Nichtrostende Stähle DIN EN DIN EN /-4 AFP-Stähle DIN EN Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 12

13 Schmiedbare Werkstoffe II Stahlgruppen Normblatt Einsatzbereiche Unlegierte Baustähle DIN EN DIN EN /-2 Maschinenbauteil mit niedriger dynamischer Belastung und geringen Festigkeitsanforderungen. Vergütungsstähle DIN EN /-2/-3 Maschinenbauteile und Fahrzeugteile mit hoher dynamischer oder statischer Belastung wie Achsschenkel, Kurbelwellen, Kardanwellen sowie Sicherheitsteile im Fahrzeug- und Seilbahnbau. Einsatzstähle Nitrierstähle Stähle für Flamm- und Induktionshärten DIN EN DIN EN DIN EN /-2/-3 Getriebeteile und Antriebsteile mit Oberflächenhärtung, wie Zahnräder, Wellen, verzahnte Bauteile und verschleißfeste Umformwerkzeuge. Sehr hohe Verschleißsicherheit für Laufwerke, für Kettenfahrzeuge, Fördergeräte im Bergbau, Großwälzlager mit Laufbahnhärtung. Wälzlagerstähle DIN EN ISO Sonderstahl für gehärtete Wälzlagerringe und Wälzkörper. Der Stahl erreicht sehr hohe Härten bei guter Durchhärtung. Warmfeste Stähle DIN EN DIN EN /-2 Kaltzähe Stähle DIN EN DIN EN /-2/-3 Nichtrostende Stähle DIN EN DIN EN /-4 Hochlegierte Stähle für Strahltriebwerke, Gasturbinen, Feuerungstechnik und Industrieofenbau, Umformwerkzeuge und Gesenke. Maschinenbauteile im Tieftemperaturbereich, Fahrzeugteile für extreme Einsatzfälle, Federn und dynamisch hochbelastete Anwendungen. 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 Einsatzbereiche wie Vergütungsstähle, jedoch kostengünstige Motoren- und Fahrwerksteile mit hoher dynamischer Belastung wie Pleuelstangen, Kurbelwellen, Lenkungsteile, Antriebswellen und Achsen. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 13

14 Schmiedbare Werkstoffe III Für besondere Anwendungsfälle werden auch Werkstoffe wie Titan, Aluminium, Nickel-Legierungen und AFP-Stähle massivumgeformt. Medizinische Bauteile Vorderrad-Schwenk- Temperaturfeste Lkw-Pleuelstange aus (Hüftprothesen) aus lager aus Aluminium Turbinenschaufeln aus AFP-Stahl (ausschei- Titan Nickel-Legierungen dungshärtender- ferritisch-perlitischer Stahl) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 14

15 Faserverlauf I 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 Ein optimaler Faserverlauf erhöht die dynamische Bauteilfestigkeit Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 15

16 Faserverlauf II Von links nach rechts zieht sich der Faserverlauf (mit Seigerungskern des Ausgangsmaterials) durch das Bauteil. Eine austretende Faser hätte eine unerwünschte Kerbwirkung zur Folge. Zweistufig kaltumgeformte Pkw- Getriebewelle In die beiden Bunde wird die Getriebeverzahnung gefräst. Im Zahnbereich steht die Faser senkrecht zur Lastrichtung Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 16

17 Werkzeuggestaltung und Wirtschaftlichkeit Bedarfsmenge und Losgröße bestimmen die Gestaltung der Werkzeuge,und das wirtschaftlichste Fertigungsverfahren. kleine Stückzahl geringe Anpassung an Fertigform mittlere Stückzahl mäßige Anpassung an Fertigform große Stückzahl gute Anpassung an Fertigform 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. Kosten Fertigteil Schmiedeteil Bearbeitung Fertigung Werkstoff Werkzeug Fertigteil Schmiedeteil Bearbeitung Fertigung Werkstoff Werkzeug Fertigteil Schmiedeteil Bearbeitung Fertigung Werkstoff Werkzeug Abhängigkeit der Kosten des Schmiedeteils und des Fertigteils von der Stückzahl Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 17

18 Genauigkeit von Massivumformteilen = mit herkömmlichen Fertigungseinrichtungen erreichbar. = durch Sondermaßnahmen und in Ausnahmefällen erreichbar. Für Gesenkschmiedeteile aus Stahl gelten überwiegend die Maßtoleranzen nach DIN EN Engere Toleranzen vereinbaren Hersteller und Kunde individuell. Für Freiformschmiedeteile aus Stahl gibt es besondere Toleranzen. Präzisionsgeschmiedetes Kegelradpaar mit Spiralverzahnung und Kupplungsklauen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 18

19 Vermaßung Technisch mögliche Toleranzen hängen beim Schmiedeteil ab von: - Der Lage des Maßes. Dickenmaße werden durch zwei Gesenkhälften gebildet und sind höher zu tolerieren als Höhen- und Breitenmaße (Durchmesser (Du )), die innerhalb einer Gravurhälfte erzeugt werden. - Der Komplexität des Schmiedeteils, dazu werden Schmiedeteile nach ihrer Feingliedrigkeit unterschieden. - Gewicht und Größe des Schmiedeteils. - Der so genannten Stoff-Schwierigkeit (abhängig von der Werkstoff- Güte). Die Berechnung der Toleranz wird in DIN EN geregelt. Geringere Toleranzen sind durch zusätzliche Maßnahmen möglich und müssen mit dem Hersteller vereinbart werden. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 19

20 Hauptverfahren der Schmiedetechnik In der Schmiedetechnik werden Klemmbacken hauptsächlich fünf Verfahren verwendet: Obergesenk Stauchstempel - Gesenkschmieden, - Stauchen, Untergesenk - Fließpressen, - Freiformschmieden, Werkstück - Ringwalzen. Werkstück Gesenkschmieden Stauchen Stempel Hauptwalze Werkzeug Sattel Axialwalzen Dornwalze Werkstück Werkstück Sattel Werkstück Fließpressen Auswerfer Freiformschmieden Ringwalzen Alle Techniken werden im Warmschmiedeverfahren bei rund Grad Celsius durchgeführt Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 20

21 Maschinen der Schmiedetechnik I In der Massivumformung kommen drei verschiedene Maschinenarten zum Einsatz: Haupt-Maschinenarten Arbeitsgebunden Kraftgebunden Weggebunden - Arbeitsgebunden, - Kraftgebunden, - Weggebunden. Mit linearer Arbeitsbewegung Mit umlaufender Arbeitsbewegung Oberdruckhämmer Gegenschlaghämmer Spindelpressen Hydraulische Pressen Exzenterpressen Kurbelpressen Stauchmaschinen Ringwalzen Reckwalzen Querwalzen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 21

22 Maschinen der Schmiedetechnik II Pressenmaschinen Arbeitsgebunden Kraftgebunden Weggebunden 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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 22

23 Hämmer zum Gesenkschmieden I Oberdruckantrieb Bär Obergesenk Untergesenk Schabotte Dämpferelemente 5 6 Der Oberdruckhammer (arbeitsgebunden) ist hydraulisch oder pneumatisch betrieben Zur Schwingungsdämpfung steht der Hammer auf einem Dämpferelement Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 23

24 Hämmer zum Gesenkschmieden II Antrieb Bär Obergesenk Hammergestell Untergesenk Unterbär Hydraulische Bärkupplung Der Gegenschlaghammer ist pneumatisch betrieben ideal für große Stückgewichte 6 7 Die gegenläufigen Bewegungen der Bären vermindern die Schwingungen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 24

25 Pressen zum Gesenkschmieden I Ständer Stößel 9 3 Stößelführung 4 Spindel Spindelmutter Kupplung 5 7 Schwungradlagerung 8 Spindelbremse 1 9 Hydraulische Ausrüstung Ausstoßer Pneumatischer 2 10 Gewichtsausgleich Die Spindelpresse eignet sich für Großserien und ist automatisierbar Sie stellt eine hohe Umformenergie zur Verfügung Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 25

26 Pressen zum Gesenkschmieden II 1 Hydraulikzylinder 5 2 Stößel 1 3 Tisch 2 4 Maschinen-Ständer Elektro-Motoren Hubbalken-Automat Umformstationen Materialzuführung 3 7 Die Hydraulikpresse bietet eine konstante Maximalkraft über den gesamten Umformweg Sie ist besonders geeignet für Warmund Kaltfließpressen mit langen Umformwegen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 26

27 Pressen zum Gesenkschmieden III Die Exzenterpresse ist wegabhängig und 1 Ständer 6 Gewichtsausgleich gut automatisierbar bei hohen Hubzahlen 2 Stößel 7 Stößelverstellung 3 Druckstange 8 Vorgelege 4 Stößelführung 9 Pfeilverzahnung 5 Kupplungs-/Bremssystem 10 Oberer und unterer Auswerfer Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 27

28 Pressen zum Gesenkschmieden IV Die Keilpresse ist kippstabil und ist ideal für außermittiges Schmieden 1 2 Ständer Stößel 6 7 Gewichtsausgleich Stößelverstellung 3 Keil 8 Vorgelege 4 Stößelführung 9 Pfeilverzahnung 5 Kupplungs-/Bremssystem 10 Oberer Ausstoßer Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 28

29 Automatisierung der Hauptumformmaschinen Hubbalkensystem Zangenarmsystem 1 Einlegezange 4 Hubbalkensatz 1 Einlegezange 5 Zangenschlitten 2 Antriebseinheit 5 Pressenständer 2 Transportzangen 6 Fahrantrieb 3 Transportzangen 6 Untergesenk 3 Untergesenk 7 Querschlitten 4 Zangenarme 8 Pressenständer Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 29

30 Automatische Warmstufenpressen Warmstufenpressen (z. B. Hatebur) arbeiten vollautomatisch. Die Arbeitsgeschwindigkeit ist stufenlos regelbar und bietet hohe Mengenleistung. Automatische Warmstufenpresse mit vorgeschalteter Induktiv-Erwärmungsanlage Werkzeugraum einer Warmstufenpresse mit vier Stufen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 30

31 Automatische Fertigungslinie Anordnung mehrerer Exzenterpressen mit automatischer Verkettung durch Roboter der Werker überwacht den Gesamtprozess Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 31

32 Vorformverfahren I Die Reckwalze bewirkt durch die Massevorverteilung eine Gratoptimierung und Einsparung von Rohmaterial im Schmiedeprozess Ausgleichszylinder für Längenausgleich Servoelektrischer Quertransport Kurbelschwinge für Antrieb AS Exzenterlagerung der Unterwalze zur Achsabstandsverstellung Einschubvorrichtung zur Übergabe in die Manipulatorzange Walzenantrieb mit automatischem Zahnspielausgleich Bremse mit Wasserkühlung und asbestfreien Reibklötzen Kupplung mit asbestfreien Reibklötzen Schwungrad mit großem Arbeitsvermögen Schwinghebel-Automatik AS Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 32

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 33

34 Ringwalzen Nahtlos gewalzte Ringe sind typische Produkte der Massivumformung. Das Ringwalzen ermöglicht nahtlose Ringe mit quadratischen und rechteckigen sowie innen und/oder außen profilierten Ringen. Der größte lieferbare Durchmesser liegt heute bei 8,0 Meter. Typische Radial-Axial-Ringwalzmaschine Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 34

35 Freiform-Schmieden I Freiform-Schmieden ist das älteste Schmiedeverfahren. Es wird für Einzelstücke, kleinere Serien oder bei hohen Stückgewichten angewandt Automatisierte Freiform-Schmiedeanlage in Unterflurbauweise mit freifahrbarem Manipulator Freiform-Schmiedepresse in Unterflurbauweise mit integriertem Manipulator auf Schiene 1 Schmiedepresse 4 Schmiedesättel 2 Werkstück 5 Schmiedesättel 3 Manipulator Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 35

36 Freiform-Schmieden II Langschmiedemaschine mit vier radial angeordneten Werkzeugen. Werkzeuganordnung einer Langschmiedemaschine zum Rundkneten für hohle gewichtsoptimierte Bauteile mit hoher Präzision Manipulator 4 Werkstück 2 Schmiedewerkzeuge 5 Manipulator 3 Schmiedemaschine Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 36

37 Sonderverfahren der Warmumformtechnik Diese Sonderverfahren werden insbesondere für die Großserienfertigung bestimmter Ambossplatte Kontaktelektrode Hydraulikzylinder Oberwerkzeug Werkstück Teilefamilien verwendet. Untergesenk Werkstück Elektrostauchen Gesenkwalzen Walzkeil Grundwerkzeug Taumelglocke Werkzeugsegment Werkstück Obergesenk Werkstück Walzkeil Werkstück Grundwerkzeug Untergesenk Werkzeugsegment Werkzeugsegment Querkeilwalzen Taumeln Rundkneten Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 37

38 Sonderverfahren Halbwarmumformung Durch die Kombination von Halbwarmfließpressen und Kaltkalibrieren hergestellte Tripodenwelle Durch die Kombination von Halbwarmfließpressen und Kaltkalibrieren hergestelltes Gelenkwellenteil, links Rohteil, rechts Fertigteil Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 38

39 Kaltmassivumformung Definition: Kaltmassivumformung = keine Erwärmung der Bauteile bzw. Umformung beginnt bei Raumtemperatur. Die fertigenden Betriebe sind größtenteils aus dem Mittelstand. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 39

40 Kaltmassivumformung Kaltmassivumformung Weltweit 2008 Kaltmassivumformung Europaweit Deutschland 50 Frankreich 20 UK 12 Spanien 19 Rest Jahresproduktion in Tausende Tonnen Anteil von Deutschland Weltweit: 24,6% Jahresproduktion in Tausende Tonnen Anteil von Deutschland Europaweit: 74,7% Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 40

41 Kaltmassivumformung Vorteile Endkonturnahes Umformen Höhere Form- und Maßgenauigkeit als bei Schmiedestücken Sehr hohe Werkstoffausnutzung Keine Verzunderung Schwierigkeiten Aufwändige Werkstückbehandlung Geringerer Umformgrad als bei der Warmumformung Komplexe Formen schwer umzusetzen Höherer Werkzeugaufwand Hohe Oberflächenqualität Hohe Bauteilfestigkeit durch die Kaltverfestigung Vorteilhafter Faserverlauf wie bei der Warmumformung Keine Erwärmung notwendig Eignung vor allem bei großen Stückzahlen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 41

42 Kaltmassivumformung Typische Verfahren und Sonderverfahren Wesentliche Prozesse der Kaltmassivumformung sind: Verjüngen, Fließpressen, Stauchen, Gewindewalzen und Abstreckgleitziehen Voll-Vorwärts-Fließpressen Ziehen Napf-Rückwärts-Fließpressen Rundkneten Abstreckgleitziehen Stauchen Gewindewalzen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 42

43 Kaltmassivumformung Beispielhafte Bauteile Getriebewelle 5000g Antriebskreuz (Kardanwelle) 1000g Schaftgehäuse (PKW Spurstange) 290g Schalthebel (PRINZ) 209g Lenkungsgabel (Automotive) 160g Zahnritzel (acrument) 137g Kupplungsrad (Fahrrad) 18g Passschraube (KAMAX) 13g Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 43

44 Kaltmassivumformung Sonderverfahren Warmumformung Hohes Umformvermögen Kaltumformung Hohe Präzision Kombination der Warm- und Kaltumformung Planetenträger Kombination Warm- und Kaltumformung Primäre Formgebung bei erhöhter Temperatur ermöglicht hohe Umformgrade Bauteilgerechte Fertigmaße und Oberflächengüten im kalten Zustand erreichbar 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 Festgelenk Kombination Halbwarm- und Warmumformung Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 44

45 Kaltmassivumformung Werkstoffe und Maschinen Arten von Pressen: Antriebsart: Mechanische Pressen Hydraulische Pressen Servo-Motor Pressen Coil Bearbeitbare Materialienarten: Stahl Bundmetalle Aluminium Edelstahl Anzahl der Stufen: Mehrstufenpresse Einstufenpressen Bauart: Horizontal Vertikal Hydraulische Presse Rohlingformen: Abschnitte Coil Klassisches Material der Kaltumformung: Vorzugsweise unlegierte Einsatz- und Vergütungsstähle mit einem C-Gehalt bis max. 0,5 % geeignet (Legierungsanteile max. 5 %). Werkzeuge einer Mehrstufenpresse Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 45

46 Kaltmassivumformung Prozesskette Umformung erfolgt meist in mehreren Stufen Vorbehandlung Glühen Beschichtung Umformung Nacharbeit Abscheren Strahlen Schmierstoffträgerschicht (z.b.: Zinkphosphat) Schmiermittel (z.b.: Seife, MoS2) Neue Schmierstoffsysteme Entschichten Glühen Spanen Gewindewalzen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 46

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 47

48 Arbeitsgänge vor dem Schmieden I Je nach Materialhärte, Querschnitt und geforderter Trenngeschwindigkeit kommen verschiedene Trennsysteme für das Vormaterial zum Einsatz. Sägen bietet den Vorteil höchster Genauigkeit und Querschnitte, dafür aber Materialverlust, längere Taktzeiten und höhere Kosten Kaltscheren hat folgende Vorteile: geringer Materialverlust, kurze Taktzeit. Nachteil: Begrenzte Querschnitte (bis maximal 150 mm) Warmscheren ist unabhängig von der Werkstoffhärte und gut geeignet für die Integration in schnelllaufende automatisierte Schmiedeprozesse Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 48

49 Arbeitsgänge vor dem Schmieden II Induktive Erwärmungsanlage Induktive Erwärmung der Vormaterial-Abschnitte auf Umformtemperatur von ca C Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 49

50 Prozessschritte bei der Herstellung Fertigungsstufen einer gesenkgeschmiedeten Kurbelwelle v. l. n. r.: - Stahlabschnitt, - Vorgewalzter Abschnitt, - Vorschmiedeform, - Fertigschmiedeform, - Schmiedeteil und abgescherter Grat, - Kurbelwelle. Untergesenk Vorschmiedeform Untergesenk Fertigschmiedeform Abgrat-Schnitt Abgrat-Stempel Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 50

51 Arbeitsgänge nach dem Schmieden Durch Abgraten und Lochen werden Grat und Butzen entfernt. Abgratstempel Schmiedeteil mit Grat Schmiedeteil Arm nach dem Biegen und Maßprägen Nachform-Arbeitsgänge ersparen Werkstoff- und Bearbeitungskosten, reduzieren Maßabweichungen und machen Hinterschneidungen möglich. Schnittplatte Grat Schmiedeteil Arm vor dem Biegen Augen in Schmiedeausführung Lochstempel Schmiedeteil mit Spiegel Augen auf Maß geprägt Schmiedeteil Lochplatte Vor der Aufweitung Schmiedeteil Nach der Aufweitung Innengrat (Spiegel) Schmiedeteil Abgraten und Lochen Nachformen (z.b. Biegen, Maßprägen, Aufweiten) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 51

52 Sonderverfahren in der Weiterverarbeitung Das untere Pleuelauge wird durch einen Keil definiert gebrochen, um eine exakte Passgenauigkeit zu erzielen das spart die Arbeitsgänge Sägen und Fräsen. Die individuellen Bruchflächen werden zur passgenauen Verzahnung verwendet. Das Brechen ( cracken ) des Pleuelauges wird durch Druck auf den Spaltkeil erreicht Die beiden Bruchflächen sind individuell und bieten hohe Passgenauigkeit bei geringem Aufwand Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 52

53 Verfahrenskombinationen Durch Verfahrenskombinationen lassen sich mehrachsige Umformungen zur Darstellung der komplexen Geometrie an Bauteilen verwirklichen. Stoßdämpferöse: Gesenkgeschmiedet und gestaucht Zahnrad mit Innenverzahnung: Halbwarmgeschmiedet und kaltkalibriert; sehr hohe Maßgenauigkeit der Zahnflanken Lkw-Traghülse: Gesenkgeschmiedet und warmfließgepresst; mehrstufige Umformung Anhängerachse: Gesenkgeschmiedet und geschweißt; Leichtbau mit Werkstoffkombination Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 53

54 Werkzeuge zum Schmieden Zum Freiformschmieden werden Sättel mit unterschiedlichen Arbeitsflächen verwendet. Gesenke geben die Negativform des Werkstücks wieder und sind deshalb formgebundene Verfahren. Untergesenke Flachsättel Einfachgesenk Mehrfachgesenk Mehrstufengesenk Spitzsättel Rundsättel Obergesenk Gesenkaufnahme Bewegliche Gesenkhälften geschlossen Schmiedeteil bewegliche Gesenk- Hälften geöffnet Gesenkaufnahme Freiformschmieden: Verschiedene Sattelformen Auswerfer Untergesenk Auswerfer Geschlossenes Gesenk Gesenk mit mehreren Teilfugen Gesenkschmieden: Typische Gesenkarten Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 54

55 Werkzeugbau: Herstellung von Gesenken und Werkzeugen 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). Fräsen der Elektrode CAD-Konstruktion der Gravurgeometrie CNC-Fräsen der Gravur Erodieren des Gesenks Feinbearbeitung des Gesenks Oberflächenveredelung der Gravur Fertiges Gesenk Ablauf der Gravurherstellung Der Fräskopf der HSC-Fräsmaschine dreht sich mit bis zu U/min Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 55

56 Wärmebehandlung der Schmiedeteile I Normalglühen (N) *Austenitisieren und Abschrecken Vergüten(V) Vergüten aus der Schmiedewärme (VS) Weichglühen (G oder BF) Ac 3 : Temperatur, bei der die Umwandlung des Ferrits in Austenit bei einem Wärmen endet, Ac 1 : Temperatur bei der die Bildung des Austenits beim Erwärmen beginnt, RT: Raumtemperatur. Schematische Darstellung der Wärmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 56

57 Wärmebehandlung der Schmiedeteile II Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen, isothermisch umwandeln (BG oder BF) Aus der Schmiedewärme kontrolliert abkühlen, kontinuierlicher Verlauf (P) Links: Schematische Darstellung der Wärmebehandlungsverfahren bei Gesenkschmiedeteilen aus Stahl Rechts: Schematische Darstellung der wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren für Gesenkschmiedeteile aus Aluminium Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 57

58 Oberflächenbehandlung I Nach dem Schmieden wird im kalten Zustand das Werkstück durch Reinigungsstrahlen entzundert. Die Korngrößen liegen zwischen 0,8 und 2,8 Millimeter. Als Strahlmittel finden Drahtkorn ( N/mm 2 ) oder Stahlgussschrot (45 50 HRC) Verwendung. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 58

59 Sicherung der Qualität von Schmiedeteilen 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). Mit dem gelben Werkstück (auch Einstellmeister oder Referenzstück) wird die Maschine kalibriert Grafische Darstellung einer Qualitätsregelkarte zum Nachweis der Prozessstabilität Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 59

60 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung I 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. Die untere grüne, zackige Linie auf dem Monitor zeigt den Materialfehler an Bei Betrachtung unter UV-Licht werden Oberflächenfehler an Werkstücken sichtbar Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 60

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 Brinell mit Kugel und Eindruckdurchmesser (10; 5; 2,5 und 1 mm) Härteprüfung nach Vickers mit Pyramide und Eindruckfläche Härteprüfung nach Rockwell mit Kegel und Messung der Eindrucktiefe Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 61

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 62

63 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung IV Ultraschall-Prüfung Monitor-Bild Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 63

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. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 64

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 65

66 Zerstörende Werkstoffprüfung II Die Kerbschlagprüfung ist eine zerstörende Werkstoffprüfung. Das Prüfstück wird auch hierbei aus dem fertigen Bauteil hergestellt. Der angekerbte Prüfkörper ist 10 x 10 x 50 Millimeter groß und wird von dem Pendel gebrochen Bei der Kerbschlagprüfung schlägt ein Pendel auf den Prüfkörper. Die verbrauchte Energie (in Joule) ist die Differenz zwischen der Pendelhöhe H und h. Sie ist das Maß für die Zähigkeit des Werkstoffes Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 66

67 Spanende Bearbeitung von Schmiedeteilen Als Schneidwerkzeuge kommen Hochleistungsschnellstahl (HSS), unbeschichtete und beschichtete Hartmetalle (HM) und Keramiken zum Einsatz. Schnittgeschwindigkeit v c (m/min) Drehen Bohren Schneidstoffe f = 0,2 mm f = 0,4 mm Schneidstoffe f = 0,02 x d Härte HB unbesch. HM besch. HSS 25 besch. HM besch. Hartmetall 90 Schneidkeramik* unbesch. HM besch. HSS besch. HM besch. Hartmetall 70 Schneidkeramik* Fräsen Wendeschneidplatten Gewinden Schneidstoffe f z = 0,12 mm f z = 0,25 mm Schneidstoffe f = m (Steigung) unbesch. HM besch. HSS 10 besch. HM besch. HSS 8 Schnittgeschwindigkeitsempfehlungen für die spanende Bearbeitung von Schmiedeteilen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 67

68 Schmiedeteile im Wettbewerb Gegenüber dem gegossenen Bauteil bietet beispielsweise die hier gezeigte geschmiedete Steckachse überlegene Werkstoffeigenschaften und hohe Prozesssicherheit. Durch den Einbau eines Schmiedeteils sanken die Kosten deutlich Die geschmiedete Steckachse ist kostengünstiger, erspart nachträgliches Vergüten und reduziert die Ausschussrate Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 68

69 Formenvielfalt im Fahrzeugbau I Im Automobilbau sind spezielle Eigenschaften erforderlich, die durch Warm-, Halbwarm- und Kaltumformung oder eine Kombination mehrerer Bearbeitungsstufen erzielt werden. Fahrwerksteile für den Automobilbau aus Stahl und Aluminium aus Stahl warm Motorenteile sind überwiegend umgeformt Getriebeteile aus Stahl warm geschmiedet und kalt kalibriert Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 69

70 Formenvielfalt im Fahrzeugbau II Durch Verfahrenskombinationen von Warm, Halbwarm und Kalt werden erhöhte Genauigkeiten und feinere Strukturen erreicht. Antriebs- und Achsteile: Warm, halbwarm- und kalt umgeformt Getriebewellen sind häufig kaltfließgepresst Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 70

71 Formenvielfalt im Fahrzeugbau III Die hohen Drehmomente in den Getrieben der heutigen Dieselmotoren können nur hochbelastbare Schmiedeteile übertragen. Die Teile sind kaltund warmumgeformt oder auch kombiniert gefertigt Zahnräder Wellen Parksperrenrad Planetenträger Schnitt durch ein Mercedes-Benz 7G-Tronic, Automatik-Getriebe Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 71

72 Formenvielfalt im Fahrzeugbau IV 5 Geschmiedete Teile erfüllen hohe Anforderungen an Dauerschwingfestigkeit, Leichtbau und kostengünstige Herstellung Mercedes-Benz, Pkw-Hinterachse, angetrieben Achszapfen Antriebswelle Traghebel Radträger Differenzial Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 72

73 Formenvielfalt im Fahrzeugbau V Radaufhängungen müssen die Kriterien an Fahrdynamik, Fahrkomfort, Bauteilgröße, Gewicht und Modulfähigkeit (Plattform-Systeme) erfüllen Mercedes-Benz, Pkw-Vorderachse ohne Antrieb Oberer Querlenker Unterer Querlenker Kreuzgelenk Achszapfen Radträger rechts Radträger links Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 73

74 Formenvielfalt im Fahrzeugbau VI Im Fahrzeugbau streben die Ingenieure nach möglichst leichter Bauweise. Dies erspart Kraftstoff, CO 2 - Emissionen und verbessert Komfort und Dynamik. Das FEM-strukturoptimierte Bauteil ist aus Aluminium hergestellt Die geringere ungefederte Masse erhöht den Federungskomfort Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 74

75 Formenvielfalt im Fahrzeugbau VII Kurbelwelle Pleuel Vorderradführung, Aluminium, geschmiedet 4-Zylinder Motorrad-Kurbeltrieb mit integrierten geschmiedeten Zahnrädern zur Nockenwellensteuerung Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 75

76 Formenvielfalt im Fahrzeugbau VIII 1 Der Ventiltrieb muss extrem hohe Beschleunigungen und Temperaturen aushalten. Geschmiedete Bauteile erfüllen diese Anforderungen Kipphebel Stößelstangen KFP-Teile Ventilbrücke 4 Nockenwelle 5 Ein- und Auslassventile Ventiltrieb (Vierventiler) eines Dieselmotors Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 76

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 77

78 Formenvielfalt im Fahrzeugbau VIII(b) 1 2 In extrem belasteten Bereichen erhöhen geschmiedete Bauteile die Betriebssicherheit. 1 Differenzial-Getriebe 2 Blattfeder-Halter Kardanwelle Flanschmitnehmer für die Kardanwelle Doppel-Pendelachse mit Zwillingsbereifung an einem Nutzfahrzeug Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 78

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 79

80 Formenvielfalt im Fahrzeugbau X Planierraupe mit Aufreißer 3 Die extremen mechanischen und dynamischen Beanspruchungen an schweren Baumaschinen bewältigen geschmiedete Bauteile in idealer Weise Schaufel-Gelenke Zylinder-Augen Aufreißzahn Antriebskranz Kettenführung Tragrollen Kettenglieder Antriebskranz-Segment Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 80

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 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 81

82 Einsatz in Rohrleitungs-Armaturen 1 2 Schieber sind korrosions- und säurebeständig. Sie werden für flüssige und gasförmige Medien eingesetzt Handrad 5 2 Bügelkopf 3 Bügelarme 6 4 Stoffbuchsbrille 5 Haube Gehäuse Flansche 8 Sitzringe 9 Augenschraube Links: Schieber zum direkten Einschweißen in Rohrleitungen. Rechts: Schieber mit Schraubflanschen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 82

83 Einsatz im Flugzeugbau Neben dem Einsatz in Strahltriebwerken kommen Schmiedeteile auch an hochbelasteten Stellen wie den Tragflächen, den Höhen- und Seitenleitwerken sowie dem Fahrwerk zum Einsatz Der vierstrahlige Airbus A 380 vertraut auf Schmiedetechnik 1 Niederdruckverdichter 2 Hochdruckverdichterschaufeln 3 Blisks 4 Turbinenwelle 5 Turbine Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 83

84 Einsatz in Windenergieanlagen Antriebswellen 2 2 Generator 3 3 Planetengetriebe Blattverstellung Rotor-Pitch 5 Scheibenbremse 6 Verbindungsringe für Stahlrohrtürme 7 Großwälzlager mit Azimut-Verstellung Rohlinge für Zahnräder, Wälz- und Gleitlager Blick in das Maschinenhaus einer modernen Windenergieanlage Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 84

85 Teilevielfalt in der Schmiedetechnik 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. Massivumformteile sind zu 97 Prozent aus Stahl, hinzu kommen Aluminium und Titan sowie Buntmetalle wie Kupfer, Messing und Nickellegierungen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 85

86 Bauteiloptimierung FEM-Programme (Finite-Elemente- Methode) bieten schon in der Konstruktionsphase die Möglichkeit der Gewichts- und Geometrie-Optimierung. Die Abbildung zeigt einen Lenkhebel mit generierter FEM-Gitterstruktur Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 86

87 Entwicklungskette I Konstruktion, Werkzeugbau und Produktion sind eng miteinander verknüpft, um die gewünschte Kundenanforderung zu erfüllen. Produktion / Bearbeitung Spezifikationen / Lastenheft Bauteilentwicklung Bauteiloptimierung Prozessentwicklung Von der Spezifikation bis zur Produktion durchläuft z. B. ein Hinterrad-Träger rechnergestützt die oben genannten Stationen Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 87

88 Entwicklungskette II Konstruktion, Werkzeugbau und Produktion sind eng miteinander verknüpft um die gewünschte Kundenanforderung zu erfüllen. Beispiel: Der Kunde gibt den Bauraum und die geforderten Eigenschaften für ein Vorderrad-Schwenklager eines Pkw aus Aluminium vor. Hieraus entsteht ein Grobmodell und daraus der Schmiedeteilentwurf Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 88

89 Entwicklungskette III Mit Hilfe von Konstruktions-Software (z. B. CATIA) wird der Schmiedeteilentwurf nach den geforderten Belastungsgrenzen diskretisiert. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 89

90 Entwicklungskette IV Linear-elastische FEM-Simulation mit Darstellung der Bauteilspannungen. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 90

91 Simulation I Simulation erfordert Hochleistungshardware für schnellste Berechnung der Finite-Elemente- Simulationen mit Hilfe eines Cluster. Cluster aus neun Prozessoren und einem Steuerungsrechner Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 91

92 Simulation II Anhand der Stoffflusssimulation können die Konstrukteure bereits im Vorfeld erkennen, ob sich das Material beim Schmiedeprozess optimal im Gesenk verteilt. Sichtbarer Fehler aufgrund fehlenden Materials oder ungünstiger Gesenkform Sichtbarer Stich durch fehlerhafte Form der vorherigen Arbeitsstufe(n) Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 92

93 Simulation III Die Stofffluss-Simulation ermöglicht die Betrachtung des Schmiedevorgangs und eventuell vorhandener Fehler am entwickelten Werkzeug. Gabelstück im Schmiedeprozess Getriebewelle Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 93

94 Simulation IV Zudem lässt sich vorab die Belastung des Werkzeugs simulieren. Die farbliche Abstufung zeigt die Vergleichsspannung. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 94

95 Bild- und Informationsquellen Wir bedanken uns bei folgenden Unternehmen für die freundliche Unterstützung mit Bildmaterial und technischen Informationen: Acument Global Technologies, Inc. BMW AG Bombardier AG BPW AG Buderus Edelstahlwerke- Schmiedetechnik GmbH Caterpillar AG CDP Bharat Forge GmbH Dango & Dienenthal GmbH Daimler AG FEMUTEC / simufact engineering GmbH GKN GmbH Hatebur AG Hammerwerk Fridingen GmbH Hirschvogel Automotive Group Kamax-Werke Karl Diederichs KG Lasco Umformtechnik GmbH Mahle Brockhaus GmbH Müller-Weingarten AG Pratt & Whitney Presswerk Krefeld GmbH & Co. KG Prinz Verbindungselemente GmbH Räuchle GmbH + Co. KG Schubert Maschinen und Anlagen GmbH Schuler Group Siepmann Persta GmbH SITEMA GmbH & Co. KG SMS Group ThyssenKrupp Gerlach GmbH ThyssenKrupp Presta AG Volkswagen AG Zeller + Gmelin GmbH & Co. KG Copyright 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, Hagen, Deutschland. Im Internet unter: Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 95

96 Impressum Herausgeber Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V. Redaktion und verantwortlich für die Gesamtherstellung Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V. Manuskript Ing. Horst Apholt Gestaltung Peter Kanthak Freiberuflicher Grafik Designer, Wickede Verlag Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V. Goldene Pforte Hagen Deutschland Telefon: Telefax: orders@metalform.de Internet: USt-IdNr.: DE Druckschriften Nr.: BW-411 Printed in Germany Nachdruck Januar 2014 ISBN: Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Auszugsweise Wiedergabe des Inhaltes nur mit Quellenangabe gestattet. Den Veröffentlichungen der Infostelle Industrieverband Massivumformung e. V. liegen die Ergebnisse der Gemeinschaftsforschung der im Industrieverband Massivumformung e. V. zusammengeschlossenen Unternehmen zugrunde. Bildquellen: Die nachfolgend aufgeführten Firmen/Institutionen haben durch Quellenmaterial die bildliche Ausgestaltung dieser Präsentation unterstützt. Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 96

97 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 Gestaltung von Schmiedeteilen DIN 7523 (gültige Ausgabe ): 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 Abweichungen für freiformgeschmiedete Scheiben Teil 2_10.71: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungen für freiformgeschmiedete Lochscheiben Teil 3_10.71: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungen für nahtlos freiformgeschmiedete Ringe Teil 4_01.72: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungen für nahtlos freiformgeschmiedete Buchsen Teil 5_01.72: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungen für freiformgeschmiedete, gerollte und geschweißte Ringe Teil 6_02.75: Bearbeitungszugaben und zulässige Abweichungen für freiformgeschmiedete Stäbe Voigtländer, O.: Perspektiven der Massivumformung in den 90er Jahren. Werkstatt und Betrieb 121 (1988) 7. S. 561/567 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 97

98 Literaturverzeichnis DIN EN : Gesenkschmiedeteile aus Stahl Teil 1_12.95: Warm hergestellt in Hämmern und Pressen Maßtoleranzen Deutsche Fassung EN :1995 DIN : 02.93: Schmiedestücke aus Titan und Titan-Knetlegierung (Freiform- und Gesenkschmiedestücke) Herstellung von Schmiedeteilen Dahme, M. und Hirschvogel, M: Möglichkeiten und Grenzen der Kalt-, Halbwarm- und Warmumformung. Werkstatt u. Betrieb 124 (1991), S. 865/868 Düser, R.: Gesenkwalzen Ein Maximum an Präzision bei einem Minimum an Material- und Energieeinsatz. Umformtechnik 26 (1992) 1, S. 33/40 DIN Normenheft 7: Anwendung der Normen über Form- und Lagetoleranzen in der Praxis. 4. Auflage Berlin und Köln; Beuth-Verlag 1987 Breuer, H.-W.: Gestaltung beanspruchungs- und fertigungsgerechter Schmiedeteile. Konstruktion 43 (1991) S.285/291 Dahme, M. and u. a.: Gemeinschaftliche CAD/CAM- Entwicklungen: Basis für Simultaneous Engineering. Schmiede-Journal (1995) September S. 17/18 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 98

99 Literaturhinweise Elsinghorst, D.: Neues Maschinenkonzept: Präzisions-Schmiedehammer. Schmiede-Journal (1997) September, S. 26/28 Groene, S.: Axiales Gesenkwalzen ein Verfahren der Warmformgebung zur Herstellung von rotationssymetrischen Schmiedeteilen für die Kraftfahrzeugindustrie, Thyssen Techn. Ber. 18 (1986) 2, S. 353/360 Jung, H.: Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit nach dem Schmiedeprozess durch Warm- und Kaltprägen, VDI-Z 133 (1991) 11, S. 49/56 König, W. und Klocke, F.: Fertigungsverfahren Bd. 4 Massivumformung Düsseldorf VDI-Verlag 1995 König, W. und Klocke, F.: Fertigungsverfahren 4 - Umformen Springer-Verlag 2006 Körner. E. u. a.: Möglichkeiten des HW-Fließpressens in Kombination mit dem Kaltfließpressen. Symposium Neuere Entwicklungen in der Massivumformung 28./ Fellbach. Lange, K. und Meyer-Nolkemper, H.: Gesenkschmieden 2. Auflage Berlin, Heidelberg New York: Springer-Verlag 1977 Lange, K. (Hrsg.): Umformtechnik Bd. 2, Massivumformung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag 1988 Metals Handbook: Vol. 14, Forming and Forging 9. Ed. Metals Park (Ohio): American Soc. for Metals 1988 Schiller, W.: Wirtschaftliches Fertigen durch gratloses Schmieden - Kostenvorteile Industrie-Anzeiger 110 (1988) 5, S. 34/36 Schuler GmbH (Hrsg.): Handbuch der Umformtechnik. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag 1996 Vogt, H. J.: Gesenkschmieden und Schweißen. Der Konstrukteur 10 (1979) 11, S. 41/51 Werkstoffeigenschaften DIN-Taschenbuch 218: Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe, Normen. 2. Auflage Berlin und Köln: Beuth-Verlag 1989 Massivumformteile Bedeutung, Gestaltung, Herstellung, Anwendung 99