Schmieden: Bedeutung, Anwendungen und Prozesse
Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie Folgendes: - 1. Einführung in das Schmieden 2. Schmiedefähigkeit 3. Schmiedbare Materialien 4. Temperatur 5. Prozesse 6. Schmierung 7. Fehler in geschmiedeten Produkten 8. Vorteile 9. Nachteile 10. Anwendungen.
Einführung in das Schmieden:
Das Schmieden ist ein Umformprozess. Dabei wird Metall auf den plastischen Zustand erhitzt und anschließend mit einem Hand- oder Schlaghammer Druck ausgeübt, um eine vorbestimmte Form des Produkts zu erhalten. Der Begriff Schmieden wird auch verwendet, um die plastische Verformung von Metallen bei Schmiedetemperatur in die erforderliche Form zu definieren, wobei Druckkräfte verwendet werden, die durch Gesenke mittels eines Hammers, einer Presse oder einer Stauchmaschine ausgeübt werden.
Wie bei anderen Umformprozessen verfeinert das Schmieden die Mikrostruktur des Metalls und beseitigt die verborgenen Defekte wie Haarrisse und Fehlstellen. Dieser Prozess ordnet die faserige Makrostruktur so an, dass sie dem Metallfluss entspricht. Aufgrund dieser Vorzüge und Vorteile gegenüber dem Gießen und Bearbeiten ist Schmieden im Umformprozess sehr beliebt.
Durch ein erfolgreiches Design der Matrizen kann der Metallfluss verwendet werden, um die Ausrichtung der Fasern mit der erwarteten Richtung der maximalen Spannung zu fördern. Abb. 5.1 zeigt die zwei verschiedenen Kurbelwellen und Kranhaken, die durch spanabhebende Bearbeitung aus einem Stangenmaterial und durch Schmieden hergestellt werden.
Wie zu sehen ist, ist die Richtung der Fasern im Schmiedeteil günstiger, da die Spannungen in den Bahnen mit der Richtung der Fasern übereinstimmen, wo die Festigkeit maximal ist.
Schmiedefähigkeit:
Der Begriff Schmiedefähigkeit ist definiert als die Fähigkeit eines Materials, ohne Versagen oder Zerreißen einer Verformung zu unterliegen. Für den ordnungsgemäßen Schmiedevorgang ist es wichtig, das Verformungsverhalten des zu schmiedenden Metalls hinsichtlich der Beständigkeit gegen Verformung und aller erwarteten nachteiligen Auswirkungen wie Rissbildung usw. zu kennen.
Das hängt von folgenden Faktoren ab:
(i) Materialzusammensetzung
(ii) Reinheit des Materials.
(iii) Korngröße.
(iv) Arbeitstemperatur.
(v) Dehnungsrate und Dehnungsverteilung.
(vi) Anzahl der vorhandenen Phasen.
Die Schmiedefähigkeit steigt mit der Erhöhung der Arbeitstemperatur bis zu einem Punkt, an dem sich die Phase ändert. Die reinen Metalle haben eine gute Schmiedefähigkeit.
Das feinkörnige Material hat eine bessere Schmiedefähigkeit als grobkörniges Material.
Obwohl es keinen allgemein akzeptierten Standardtest für die Schmiedefähigkeit gibt, werden einige der folgenden Tests an Metallen zur quantitativen Zuordnung der Schmiedefähigkeit durchgeführt:
(i) Stauchtest:
Die maximale Grenze der Störungsfähigkeit ohne Reißen oder Versagen wird als Maß für den Schmiedefähigkeitsindex genommen. Bei diesem Test wird eine Reihe von zylindrischen Barren mit gleichen Abmessungen auf unterschiedliche Verformungsgrade gebracht.
(ii) Kerbstab-Stauchtest:
Dieser Test ist dem obigen Test ähnlich, mit der Ausnahme, dass vor dem Stauchen in Längsrichtung Kerben oder Verzahnungen angebracht werden. Dieser Test liefert einen zuverlässigeren Index der Schmiedefähigkeit.
(iii) Heißzugfestigkeitstest:
Bei diesem Test wird die Schlagzugfestigkeit als Maß für den Schmiedefähigkeitsindex genommen. Für diesen Test wird eine Schlagprüfmaschine verwendet, die mit einer Zugprüfvorrichtung versehen ist.
(iv) Hot-Twist-Test:
Der Test besteht darin, einen runden, heißen Stab zu verdrehen und die Anzahl der Verdrehungen bis zum Ausfall zu zählen. Je größer die Anzahl der Drehungen ist, desto besser ist die Schmiedefähigkeit.
Schmiedbare Materialien:
Jedes Metall oder jede Legierung, die durch Erhitzen ohne Ausfall in einen plastischen Zustand gebracht werden kann, kann geschmiedet werden. Die Schmiedefähigkeit eines beliebigen Metalls wird durch eine Anzahl von Faktoren beeinflusst, wie die Zusammensetzung des Metalls oder der Legierung, die vorhandenen Verunreinigungen, die Korngröße und die Anzahl der vorhandenen Phasen.
Die Temperaturerhöhung verbessert auch die Schmiedefähigkeit, jedoch bis zu einer bestimmten Grenze, wo andere Phasen auftreten oder das Kornwachstum übermäßig wird. Zu diesem Zeitpunkt verringert ein weiterer Temperaturanstieg die Schmiedefähigkeit.
Einige Metalle und Legierungen in absteigender Reihenfolge der Schmiedefähigkeit sind nachstehend aufgeführt (dh Legierung mit besserer Schmiedefähigkeit wird zuerst geschrieben):
1. Aluminiumlegierungen.
2. Magnesiumlegierungen.
3. Kupferlegierungen.
4. Kohlenstoffstähle.
5. Niedriglegierte Stähle.
6. Martensitische rostfreie Stähle.
7. Austenitische rostfreie Stähle.
8. Nickellegierungen.
9. Titanlegierungen.
10. Molybdänlegierungen
11, Wolframlegierungen.
Die Wahl eines Schmiedematerials hängt von den wünschenswerten mechanischen Eigenschaften dieses Teils wie Dauerhaftigkeit, Formbarkeit, Zerspanbarkeit, usw. ab.
Schmiedetemperaturen:
Es gibt verschiedene Materialien, die durch Schmieden bearbeitet werden können. Jedes Metall oder jede Legierung hat einen eigenen Schmiedetemperaturbereich. Einige von ihnen haben einen breiten Temperaturbereich, während andere enge Bereiche haben. Der Temperaturbereich hängt von den Bestandteilen und der chemischen Zusammensetzung ab.
Normalerweise ist die Schmiedetemperatur für Nichteisenmetalle und -legierungen viel niedriger als für Eisenwerkstoffe. Die Temperaturbereiche für häufig verwendete Legierungen sind in Tabelle 5.1 angegeben. Dazu gehören kohlenstoffarme Stähle, Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen sowie viele Legierungsstähle und Edelstähle.
Bei Handschmieden oder Freiformschmieden wird die Schmiedetemperatur anhand der Farbe von heißem Metall beurteilt. Während beim Gesenkschmieden mit Gesenkschmieden oder in der Serienfertigung Schmiedestücke die Schmiedetemperatur durch Thermoelemente und optische Pyrometer bestimmt wird.
Schmiedeprozesse:
Alle Schmiedeprozesse fallen je nach der verwendeten Methode unter zwei Haupttypen:
(i) Freiformschmieden (Schmieden oder Flachmatrizen).
(ii) Gesenkschmieden.
(i) Freiformschmieden:
Beim Freiformschmieden wird das Metall zwischen zwei Flachmatrizen bearbeitet. Es wird manuell vom Schmied ausgeführt und daher auch Schmiedeschmiede genannt. Dies kann von Hand oder mit Kraft erfolgen. Bei diesem Schmieden wird das Metall auf die Temperatur im plastischen Zustand erhitzt, auf einen Amboss gelegt und wiederholt wiederholt gehämmert, bis die gewünschte Form erreicht ist.
Schwarzschmiedeschmieden wird heutzutage nur noch zum Formen kleinerer Anzahl leichter Schmiedeteile verwendet. Dieses Verfahren wird hauptsächlich in Reparaturwerkstätten eingesetzt. Komplizierte Formen mit enger Toleranz können mit diesem Verfahren nicht wirtschaftlich hergestellt werden.
Die moderne Version von Schmiedekunst, Freiformschmieden, beinhaltet den kraftbetätigten Hammer oder die Pressung anstelle des Handhammers und den Amboss des Schmiedes.
Die Merkmale des Freiformschmiedens sind:
a) Freiformschmieden wird zur Herstellung von schweren Schmiedeteilen mit einem Gewicht von bis zu 300 Tonnen verwendet.
(b) Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung kleiner Chargen mittlerer Schmiedeteile mit unregelmäßigen Formen verwendet, die nicht mit einem modernen Gesenkschmiedeverfahren hergestellt werden können.
(c) Die Fähigkeit des Bedieners spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung der gewünschten Form des Teils durch Erhitzen und aufeinanderfolgende Arbeitstakte.
(d) Die erzeugte Form ist nur eine Annäherung an das erforderliche Teil, und es ist immer ein nachfolgender Bearbeitungsvorgang erforderlich, um das genaue Teil gemäß dem vom Designer bereitgestellten Blaupause herzustellen.
(ii) Gesenkschmieden:
Beim Gesenkschmieden wird das Metall in einem geschlossenen Abdruck eines Gesenksatzes bearbeitet. Das Metall wird auf die Temperatur im plastischen Zustand erhitzt, in eine zweiteilige Hohlform gegeben und dann gepresst. Gesenkschmieden umfasst Gesenkschmieden, Gesenkschmieden und Maschinen- oder Stauchschmieden.
Beim Aufprall (oder Quetschen) fließt das heiße Metall plastisch, um den Formhohlraum zu füllen. Der Metallfluss wird durch die Form des Formhohlraums eingeschränkt. Der Herstellungszyklus für ein Gesenkschmiedeteil umfasst einige andere damit zusammenhängende Vorgänge, wie z. B. Schneiden von Schnecken, Erwärmen von Schnecken, Schmieden von Schnecken, Trimmen des Grats, Wärmebehandeln der Schmiedeteile, Entzundern und schließlich die Inspektion und Qualitätskontrolle. Dies ist in Abb. 5.2 dargestellt.
Vorteile des Freiformschmiedens:
(1) Dieses Verfahren wird zur Herstellung von schweren Schmiedeteilen mit einem Gewicht von bis zu 300 Tonnen verwendet.
(2) Das Verfahren eignet sich zur Herstellung kleiner Chargen mittlerer Schmiedeteile mit unregelmäßigen Formen, die nicht mit einem modernen Gesenkschmiedeverfahren hergestellt werden können.
(3) Der Prozess erfordert weniger kostspielige Werkzeuge und Ausrüstungen.
(4) Der Prozess erfordert im Gegensatz zum Pressen oder Maschinenschmieden keine zusätzliche Energiequelle.
(5) Der Prozess muss keine kostspieligen geschlossenen Gesenke herstellen.
(6) Der Prozess kann an jedem gewünschten Ort durchgeführt werden.
Vorteile des Gesenkschmiedens:
(1) Größere Konsistenz der Produkteigenschaften als beim Freiformschmieden oder Gießen.
(2) Größere Festigkeit bei geringerem Stückgewicht im Vergleich zu Gussteilen oder gefertigten Teilen.
(3) Komplizierte Formen mit engen Maßtoleranzen können leicht hergestellt werden.
(4) Gute Oberflächengüte mit minimalem Materialüberschuss, der durch spanabhebende Bearbeitung entfernt werden muss.
(5) Die Kosten für Teile, die durch Gesenkschmieden hergestellt werden, sind gewöhnlich zwei oder drei Mal niedriger als die Kosten für Teile, die durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
Nichtsdestotrotz sind die hohen Kosten für das Schmieden von Gesenken die Haupteinschränkung dieses Prozesses, insbesondere wenn komplizierte Formen hergestellt werden sollen.
Daher eignet sich das Verfahren nur für die Massenproduktion von Stahl- und Nichteisenbauteilen mit einem Gewicht von bis zu 350 kg.
Schmierung im Schmiedeprozess:
Die Schmierung spielt eine wichtige Rolle beim Umformprozess und kann nicht vernachlässigt werden.
Die Funktionen der Schmierung sind:
(i) Beseitigen Sie die Reibung zwischen den Schnittstellen der Arbeitsform.
(ii) Sorgen Sie für den leichten Fluss von mete.
(iii) Verhindert, dass heißes Metall an der Düse haften bleibt.
(iv) Verhindert, dass die Oberflächenschichten des heißen Metalls durch die relativ kalte Form usw. abgekühlt werden.
In der folgenden Tabelle 5.2 sind einige häufig verwendete Schmiermittel beim Schmieden aufgeführt:
Schmieden sterben materialien:
Schmiedegesenke sind harten Bedingungen wie hohen Temperaturen, extrem hohen Drücken und Abrieb ausgesetzt. Daher muss ein Matrizenmaterial bei höheren Temperaturen eine angemessene Härte sowie eine hohe Zähigkeit aufweisen, um den harten Bedingungen standzuhalten.
Als Werkzeugmaterial werden spezielle Werkzeugstähle verwendet. Sie werden mit folgenden Legierungszusätzen legiert: Chrom, Nickel, Molybdän und Vanadium. Zuerst werden die Matrizenblöcke geglüht und dann bearbeitet, um die Schäfte herzustellen. Zweitens gehärtet und an den Schäften angelassen. Schließlich werden Abdrückhohlräume von Werkzeugmachern beschossen.
Fehler in geschmiedeten Produkten:
Fehler können beim Schmieden beobachtet werden. Sie können Oberflächen- oder Körperfehler aufweisen. Die Art des Fehlers hängt von der Anzahl der Faktoren ab, wie dem Schmiedeprozess, dem geschmiedeten Metall, der Prozesstemperatur, der Werkzeugkonstruktion, der Werkzeugkonstruktion usw.
Es folgt eine kurze Beschreibung der allgemein festgestellten Mängel:
1. knacken:
Der Rissdefekt tritt normalerweise an Ecken und im rechten Winkel auf. Mögliche Ursachen sind ungleichmäßige Temperaturverteilung, hoher Verformungsgrad als notwendig, Zugspannungen beim Schmiedevorgang usw.
2. Falten:
Der Falzfehler wird häufig bei Stauch- und Richtungsvorgängen beobachtet. Falten können auch an den Kanten von Teilen beobachtet werden, die durch Schmieden hergestellt werden. Die möglichen Ursachen sind: Reduzierung des Durchlaufs ist zu gering, Metallknicken, fehlerhaftes Schmiededesign usw.
3. Unsachgemäße Abschnitte:
Zu den unpassenden Abschnitten gehören Totmetallzonen, Rohrleitungen und unregelmäßige oder heftige Metallströmungen. Sie sind im Wesentlichen auf ein schlechtes Werkzeug- und Werkzeugdesign zurückzuführen.
4. Ungefüllte Abschnitte:
Die ungefüllten Abschnitte beim Schmieden können durch das Metall verursacht werden, das den Formhohlraum nicht richtig ausfüllt. Die möglichen Ursachen sind: Unzureichende Metallmenge, falsches Einsetzen des Metalls in der Matrize, niedrige Aufheiztemperatur, schlechtes Schmiedekonzept und Poolwerkzeug- oder Matrizendesign.
5. Nicht übereinstimmende Schmiedeteile:
Fehlanpassungen der Schmiedestücke werden beobachtet, wenn der obere und der untere Teil der Matrize während des Schlagens nicht ausgerichtet sind.
6. Flossen und Wutanfälle:
Flossen und Lappen sind kleine Vorsprünge aus losem Metall in die Schmiedefläche. Mögliche Ursachen sind: unsachgemäße Verarbeitung, schlechtes Werkzeugdesign usw.
7. Überhitzter und verbrannter Metall:
Manchmal wird Metall dadurch überhitzt; das metall verliert seine festigkeit. Mögliche Ursachen sind: Höhere Temperaturen als erforderlich, zu lange Erwärmung des Bauteils, ungeeignete und ungleichmäßige Erwärmung.
8. Schuppengruben:
Die Skalengruben sind flache Oberflächenvertiefungen. Diese werden durch einen Zunder verursacht, der vor dem Schmieden nicht vom Arbeitsblock oder der Gesenkoberfläche entfernt wurde. Häufiges Reinigen der Matrizen und richtige Schmiedetemperatur können diesen Defekt vermeiden.
9. Gebrochene Faserströmungslinien:
Dies ist auf ein schnelles Fließen des Metalls zurückzuführen.
Gründe für das Schmieden von Fehlern:
Schmiedefehler beruhen auf einem oder mehreren der folgenden Gründe:
1. Schlechte Qualität der Blöcke und Brammen, die zur Herstellung der geschmiedeten Komponenten verwendet werden.
2. Schlechte mechanische Festigkeit der Blöcke.
3. Schlechtes Werkzeug und Werkzeugdesign.
4. Falsche Zusammensetzung des Materials, das geschmiedet wird.
5. Falsches Erwärmen und Abkühlen der Schmiedeteile.
6. Beim genauen Schmieden.
7. Nicht übereinstimmende Ausrichtung der unteren und oberen Formteile.
8. Skalierung der verwendeten Matrizen und Barren usw.
Vorteile des Schmiedens:
Nachfolgend die Vorteile des Schmiedeprozesses:
1. Verfeinerte Kornstruktur
2. Bessere Festigkeit der Teile.
3. Angemessenes Maß an Genauigkeit.
4. Schmiedestücke können leicht geschweißt werden.
5. Erzielung einer glatten Oberfläche.
6. Keine oder vernachlässigbare maschinelle Bearbeitung erforderlich.
7. Einsparung von Material, da weniger Abfälle anfallen.
8. Schnellere Produktionsrate.
9. Bestens geeignet für die Massenproduktion.
10. Reduziertes Eigengewicht geschmiedeter Teile.
Nachteile des Schmiedens:
Die Nachteile des Schmiedeverfahrens sind:
1. Hohe Werkzeugkosten.
2. Kostspielige Wartung der Werkzeuge.
3. In einigen Fällen ist nach dem Schmieden eine Wärmebehandlung erforderlich.
4. Einschränkung in Form und Größe.
5. Durch unsachgemäße Schmiedekonstruktion können Schmiededefekte wie Risse, Biegungen usw. entstehen.
6. Geschlossene Toleranzen schwer einzuhalten.
Anwendungen des Schmiedens:
Geschmiedete Teile lassen sich in drei Kategorien einteilen:
1. Kleine Schmiedeteile:
Zu den Schmiedestücken gehören Schrauben und Muttern, Schraubendreher, Ringe usw. In dieser Kategorie werden Meißel und kleine Schneidwerkzeuge verwendet. Kleine Schmiedeteile werden aus Barvorräten geschmiedet.
2. Mittlere Schmiedeteile:
Mittlere Schmiedestücke umfassen Pleuelstangen, kleine Kurbelwellen, Hebel, Haken, Eisenbahnwagenachsen, Flanschkupplungen usw. Mittlere Schmiedeteile werden aus Stangenmaterial und Platten geschmiedet.
3. Schwerere Schmiedeteile:
Schwerere Schmiedeteile umfassen große Wellen von Kraftwerksgeneratoren, Turbinen und Schiffen sowie Pressensäulen und Walzen für Walzwerke. Schwerere Teile werden aus Ingots gefertigt.
