Metall formen: Ein umfassender Leitfaden zu den 8 wichtigsten Schmiedeprozessen

Schmieden ist ein Verfahren zur Formgebung von Metallen durch Druckkräfte. Dadurch wird die Festigkeit des Metalls erhöht, die Kornstruktur verfeinert und die Ermüdungsbeständigkeit verbessert. So entstehen Teile, die belastbarer sind als gegossene oder bearbeitete Teile. Dies ist ideal für Branchen, die robuste und zuverlässige Teile benötigen.

Klassifizierung des Schmiedens nach Werkzeugen

Freiformschmieden

Beim Freiformschmieden, auch Freiformschmieden genannt, wird heißes Metall zwischen flachen Gesenken oder Hammer und Amboss geformt. Es werden keine Seitenwände oder Vollformen verwendet, wodurch das Metall relativ frei fließen kann, da es von verschiedenen Seiten verformt wird.

Vorteile

• Kontinuierlicher Getreidefluss: Die Kornstruktur passt sich der Form des Teils an und verbessert so die Festigkeit und Bruchsicherheit.
• Weniger Abfall: Da kein Grat entsteht, werden insbesondere bei teuren Legierungen Rohstoffkosten gespart.
• Große Teile: Es eignet sich zum Schmieden übergroßer oder individueller Formen, die nicht in Formen passen.

Freiformschmieden wird typischerweise für große Wellen zur Stromerzeugung, Zylinder in hydraulischen Pressen sowie kundenspezifische Werkzeuge und Gegenstände für Schmiedearbeiten verwendet.

Gesenkschmieden

Bei diesem Verfahren wird ein erhitzter Block zwischen geformte Matrizen gelegt, die den genauen Umriss des Teils enthalten. Das Metall füllt den Matrizenhohlraum unter Druck, und überschüssiges Material fließt als Grat heraus, der später abgeschnitten wird.

Ressourcen: Gesenkschmieden vs. Freiformschmieden

Dieser Prozess umfasst häufig drei Schritte:

1. Kanten: In diesem Schritt wird das Metall im Block verteilt, um es für die Form vorzubereiten.
2. Blockierung: Dabei wird das Metall in eine Form gebracht, die dem endgültigen Teil sehr ähnlich ist.
3. Letzter Eindruck: Presst das Metall mit engen Toleranzen in die endgültige Form.

Vorteile

• Nahezu fertige Formen: Dies bedeutet, dass das Schmiedeteil seiner endgültigen Größe und Form sehr nahe kommt.
• Hohe Präzision: Die Formwerkzeuge kontrollieren jedes Detail, sodass die Teile mit engen Toleranzen herauskommen.
• Wiederholbarkeit: Sobald die Gesenke eingestellt sind, ist jedes Schmiedeteil nahezu identisch. Egal, ob Sie 100 oder 10.000 Einheiten herstellen, die Konsistenz bleibt gleich.
• Hohe Festigkeit: Dadurch wird das Metall härter und widerstandsfähiger gegen Risse und Stöße.

Walzringschmieden

Dieser Prozess beginnt mit einem runden Block. In die Mitte wird ein Loch gestanzt, wodurch ein dicker Ring entsteht. Der Ring wird anschließend erhitzt und zwischen Werkzeugen gewalzt, die ihn auseinanderziehen. Das Metall dehnt sich nach außen aus, während der Ring dünner und breiter wird. Die Maserung verläuft kreisförmig und verleiht dem Ring dadurch in alle Richtungen Stabilität.

Mit diesem Verfahren werden Teile wie Lager, Zahnräder, Windturbinenflansche und Düsenkomponenten hergestellt.

Vorteile

• Es besteht ein gleichmäßiger Kornverlauf, der die Ermüdungsbeständigkeit verbessert.
• Es bietet eine nahezu durchgehende Struktur, wodurch der Bedarf an Schweißarbeiten reduziert wird.
• Da der Ring aus einem einzigen Stück Metall ohne Nähte oder Schweißnähte geschmiedet ist, hält das Teil unter Belastung besser zusammen.

Schmieden nach Temperaturkategorie

Warmschmieden

Beim Warmschmieden wird das Metall oberhalb seines Rekristallisationspunkts geformt, der typischerweise zwischen dem 0,3- und 0,5-Fachen seiner absoluten Schmelztemperatur (Tm) liegt. Dadurch lässt sich das Metall deutlich leichter formen, insbesondere bei Metallen, die im kalten Zustand schwer zu bearbeiten sind.

Vorteile

• Durch die hohen Temperaturen ist der Verformungswiderstand des Metalls deutlich geringer, wodurch sich komplexe oder große Teile leichter formen lassen.
• Hitze und Druck können dazu beitragen, kleine innere Risse, Poren oder Hohlräume im Metall zu schließen, wodurch die Gesamtstruktur und Festigkeit des Teils verbessert wird.
• Da sich das Metall beim Warmschmieden leichter verformen lässt, eignet es sich ideal zum Schmieden sehr großer Teile oder Formen mit dicken Abschnitten.

Nachteile

• Wenn Metall in der Luft erhitzt wird, reagiert es mit Sauerstoff und bildet eine Zunderschicht auf der Oberfläche, die dem Teil ein rauhes Aussehen verleihen kann.
• Zunder kann nicht nur die Oberfläche rau aussehen lassen, sondern auch die Genauigkeit der Teile verringern und während des Prozesses zu leichtem Materialverlust führen.

Warmschmieden

Dieser Prozess erfolgt bei Temperaturen zwischen Warm- und Kaltschmieden. Warmschmieden bietet eine glattere Oberfläche als Warmschmieden, erfordert jedoch mehr Kraft und führt zu schnellerem Werkzeugverschleiß. Auch die Temperaturkontrolle ist wichtiger.

Warmschmieden ermöglicht eine bessere Kontrolle von Größe und Form als Warmschmieden. Es ist zwar nicht so exakt wie Kaltschmieden, bietet aber für viele Teile ausreichend Präzision.

Kaltes Schmieden

Kaltschmieden Bei diesem Verfahren wird Metall bei Raumtemperatur oder darunter, also deutlich unter der Rekristallisationstemperatur des Metalls, durch starken Druck geformt. Zu den gängigen Techniken gehören:

• Prägung: Drückt Buchstaben, Logos oder andere feine Details in die Metalloberfläche.
• Kaltstauchen: Formt Köpfe an Nägeln, Bolzen und Stiften ohne Schneiden oder Schweißen.
• Zeichnung: Zieht das Metall durch eine Matrize, um seinen Querschnitt zu verringern und lange Drähte oder Rohre herzustellen.
• Extrusion: Presst Metall unter hohem Druck durch eine geformte Matrizenöffnung, um Stäbe, Stangen oder Rohre herzustellen.

Vorteile

• Dieses Verfahren bietet eine glatte und hervorragende Oberflächenbeschaffenheit.
• Es bietet eine hervorragende Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, allerdings muss bei der Matrizenkonstruktion die Rückfederung berücksichtigt werden.
• Da kein Heizschritt stattfindet, wird viel Energie gespart.

Spezialisierte Schmiedetechniken

Gesenkschmieden

Gesenkschmieden ist ein Hämmer- oder Quetschverfahren, bei dem radiale oder rotierende Matrizen verwendet werden, die schnell auf das Werkstück einwirken, entweder während es rotiert oder sich vorwärts bewegt. Das Stauchen kann je nach Metall und Teil heiß oder kalt erfolgen. Es wird häufig verwendet, um die Enden von Stangen oder Rohren zu verjüngen, zu verkleinern oder zu erweitern.

Es wird hauptsächlich verwendet in:

• Patronenhülsen
• Stifthülsen aus Metall
• Wellen- oder Spindelfertigung

Pressschmieden

Pressschmieden Verwendet gleichmäßigen, langsamen Druck, um Metall zu formen, anstatt schnelle Hammerschläge. Es kann heiß, warm oder kalt erfolgen. Die langsame Bewegung drückt das Metall tief in die Matrize, wodurch eine vollständigere Füllung und eine glattere Außenfläche erzielt werden.

Beim Pressschmieden wird nicht geschlagen, sondern gedrückt, wodurch die Schlagbelastung der Gesenke geringer ist. Dies verlängert die Werkzeuglebensdauer und reduziert Maschinenschäden.

Vorteile des Pressschmiedens

• Hohe Präzision: Durch die gleichmäßige Kraft füllt das Metall die Form vollständig aus. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über Form und Größe des Teils.
• Stärkerer Kornfluss: Kontinuierlicher Druck verbessert die Maserungsausrichtung und verstärkt so das Teil.
• Glatte Oberflächenbeschaffenheit: Beim Pressschmieden kommt es zu weniger Turbulenzen im Metall. Das Ergebnis ist eine sauberere Außenfläche mit weniger Defekten.

Rastmoment

Rastmoment (auch Ziehen genannt) ist ein schrittweiser Prozess, bei dem ein großer Metallblock (Barren oder Vorblock) zu einem längeren, dünneren Knüppel oder Stab verkleinert wird. Ein flaches Gesenk hämmert Teile des Werkstücks, während es systematisch hin- und herbewegt wird. Der Querschnitt wird nach jedem Durchgang kleiner und die Kornstruktur gleichmäßiger.

Durch das Verzahnen wird nicht das endgültige Teil hergestellt. Stattdessen wird das Metall für andere Schmiedeverfahren wie das Freiformschmieden oder das Gesenkschmieden vorbereitet.

Schlüsselrollen

• Knüppelvorformung: Durch die schrittweise Reduzierung des Blocks trägt das Verzahnen zu einem gleichmäßigeren Ausgangsblock bei. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über das Endteil und spart Material. Außerdem trägt es dazu bei, die grobe Gussstruktur aufzubrechen.
• Kornverfeinerung: Durch das Verzahnen werden grobe Körner aufgebrochen und Hohlräume oder innere Fehler geschlossen. Das Ergebnis sind robustere, langlebigere und rissbeständigere Teile.

Induktionserwärmung (zum Schmieden von Knüppeln)

Induktionserwärmung nutzt elektromagnetische Spulen, um Metall ohne Feuer oder Kontakt zu erhitzen. Die Spulen erzeugen ein Magnetfeld, das das Metall durch den Skin-Effekt vor allem von der Oberfläche nach innen schnell erhitzt. Diese Technik wird häufig vor Schmiedeschritten eingesetzt, um den Block schnell und sauber auf die richtige Temperatur zu bringen.

Vorteile

• Schnelles Aufheizen: Durch gezieltes Erhitzen kann die Schmiede nur den Teil des Werkstücks erhitzen, der geformt werden muss. Je nach Größe erreichen Knüppel die Schmiedetemperatur in Sekunden oder Minuten.
• Energieeffizienz: Da das Metall direkt erhitzt wird, verbraucht Induktion viel weniger Energie als ein Ofen.
• Minimale Skalierung: Durch die Induktionserwärmung bleibt die Heizzone fokussiert und kurz. Die Oberfläche ist nicht lange hoher Hitze ausgesetzt, was die Verkalkung erheblich reduziert.

So wählen Sie das richtige Schmiedeverfahren

Die Wahl des besten Schmiedeverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Teilegröße und -form

• • Für große oder lange Teile wie Balken oder Wellen eignet sich das Freiformschmieden. Durch die offenen Werkzeuge kann sich das Metall frei ausbreiten.
  • Gesenkschmieden für kleine oder mittelgroße Teile, die exakte Formen oder präzise Details erfordern.

Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit

• • Kaltschmieden sorgt für höchste Genauigkeit und Verarbeitung. Ideal, wenn Teile eng sitzen müssen.
  • Warmschmieden liefert gute Ergebnisse, erfordert aber stärkere Werkzeuge und Maschinen.
  • Warmschmieden eignet sich am besten, wenn die Form wichtiger ist als die Verarbeitung.
  • Durch Pressschmieden entstehen glatte Formen mit weniger Rissbildung als bei Hammerschlägen.

Produktionsvolumen

• • Gesenkschmieden und Kaltschmieden eignen sich ideal für die Massenproduktion. Sobald die Werkzeuge hergestellt sind, ist jedes Teil schnell und wiederholbar.
  • Das Freiformschmieden ist langsamer, eignet sich jedoch besser für Sonderanfertigungen oder Teile in kleinen Stückzahlen.
  • Das Schmieden funktioniert je nach Aufbau sowohl bei kleinen als auch bei großen Chargen.

Materialtyp

• • Hartmetalle benötigen mehr Wärme. Verwenden Sie Warmschmieden, um Risse zu vermeiden.
  • Weiche Metalle wie Aluminium oder Kupfer können energiesparend kaltgeschmiedet werden.
  • Verwenden Sie Induktionserwärmung, wenn eine saubere, schnelle Erwärmung der Knüppel ohne Ofen erforderlich ist.

Kostenkompromisse

• • Beim Kalt- und Gesenkschmieden werden Sondergesenke benötigt, die zwar zunächst mehr kosten, bei großen Stückzahlen jedoch Einsparungen bringen.
  • Beim Freiformschmieden werden flache Gesenke verwendet, die zwar günstiger sind, bei der Herstellung von Wiederholungsteilen jedoch langsamer.
  • Beim Schmieden und Verzahnen werden einfache Werkzeuge verwendet, es sind jedoch geschulte Fachkräfte erforderlich.
  • Die Einrichtung einer Induktionserwärmung ist zwar teurer, sie spart jedoch Energie und läuft sauber.

Branchenspezifische Anwendungsfälle

• Luft- und Raumfahrt: Walzring- und Gesenkschmieden für Triebwerksringe, Fahrwerke und flugkritische Teile.
• Automobil: Kalt- und Warmschmieden für Zahnräder, Achsen und Getriebeteile, bei denen es auf Genauigkeit ankommt.
• Energie: Freiform- und Rollringschmieden für Windturbinennaben, Gasflansche und hitzebeständige Teile.
• Schwermaschinen und Bergbau: Pressschmieden und Verzahnen für dicke, starke Teile wie Brechbacken, Hämmer und Arme.
• Medizinisch: Kaltschmieden für präzise Kleinteile wie chirurgische Schrauben und Werkzeugspitzen.

Fazit

Nicht alle Schmiedeteile sind gleich, und auch die Verfahren unterscheiden sich. Das richtige Verfahren bedeutet weniger Abfall, bessere Passung und längere Lebensdauer. Die Auswahl des optimalen Schmiedeverfahrens erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der oben genannten Faktoren.