Schmieden als Fertigungsverfahren des Umformens

Induktive Schmiedeerwärmung zum Gesenkschmieden

Die Massivumformung von Stahlteilen wird traditionell als Schmieden bezeichnet. Dabei unterscheidet man Freiformschmieden und Gesenkschmieden. Als Freiform- schmieden wird primär die partielle oder sequenzielle Umformung von Werkstücken zwischen einem Ober- und Unterwerkzeug bezeichnet.

Beim Gesenkschmieden wird das Werkstück ganz oder teilweise, ggf. auch mit mehreren Arbeitstakten, zwischen zwei Werkzeugen geformt, welche bereits die annähernde negative Form des fertigen Werkstückes aufweisen. Wegen des zusätzlichen Herstellungsaufwandes der Gesenke wird das Gesenkschmieden vorzugsweise im Bereich der Stückzahlfertigung eingesetzt. Das Freiform- schmieden entspricht dem handwerklichen Schmieden und wird eher bei geringen Stückzahlen oder sehr grossen Teilen angewendet.

Durch Schmieden können kostengünstig Produkte von sehr unterschiedlicher Grösse und Form erzeugt werden. Gängige Produkte in der Automobilindustrie sind Kurbel- und Nockenwellen, Pleuel, Teile des Fahrwerks und nicht zu vergessen: die Abschleppöse.
 

Werkstoffe

Bei Stahlwerkstoffen liegt die Ausgangstemperatur üblicherweise bei ca. 1.200° C. Die induktive Erwärmung von Stahlwerkstoffen ist energetisch besonders günstig. Unterhalb der Curie­temperatur von ca. 600° C sind die meisten Stahllegierungen ferromagnetisch und lassen sich wegen der Ummagnetisierungsverluste im elektromagnetischen Feld besonders leicht erwärmen. Oberhalb der Curietemperatur erleichtert der für Metalle relativ hohe elektrische Widerstand die Erwärmung.

Gratloses Präzisionsschmieden von Kurbelwellen

Durch die Möglichkeit der partiellen Erwärmung und des deutlich besseren Wirkungsgrades gegenüber Durch- lauföfen bieten sich Induktionserwärmungsverfahren zur Erwärmung der Werkstoffrohlinge an. Durch die Erwär- mung wird die von der Presse zu leistende Umformarbeit deutlich reduziert und das Werkstoffgefüge wesentlich verbessert. Ein Anwendungsbeispiel ist die Umformung von Aluminium-Strangguss-Profilen zu Stosstangen.

Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Stahl, ist dieser besonders für die partielle Erwärmung geeignet. Wirtschaftlich ist eine partielle Erwärmung nur mit Induktionserwärmung möglich. Das beste Beispiel für Schmiedetechnologie bei KFZ-Komponenten ist die Kurbelwelle. Dabei handelt es sich wegen der Verteilung der Werkstoffmassen um ein hochkomplexes Schmiedeteil.

Bei Automobilkomponenten ist insbesondere das Warmfliesspressen von Werkstücken aus Aluminium erwähnenswert. Beim Warmfliesspressen werden die Rohlinge auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Rekristallisation parallel zur Umformung abläuft. Dadurch erfährt der Werkstoff während der Umformung keine Verfestigung und kann nahezu unbegrenzt umgeformt werden. Ein Anwendungsbeispiel sind die in modernen PKW zur Reduzierung der ungefederten Massen verwendeten Aluminium-Fahrwerks-Komponenten.
 

Wirkungsgrad- und Kostenvergleich

Im Vergleich von Wirkungsgrad und Kosten schneidet die induktive Erwärmung gegenüber der Ofen- und Brennererwärmung trotz der zur Zeit höheren Energiekosten vergleichsweise günstig ab. Im Wesentlichen ist das darauf zurückzuführen, dass die Wärmeerzeugung auf den Bereich beschränkt ist, wo sie benötigt wird, nämlich das Werkstück. Die Erwärmung von Anlagenteilen und die damit verbundenen Strahlungs- und Konvektionsverluste werden minimiert. Ein weiterer energetischer Vorteil ist die Möglichkeit der partiellen Erwärmung, hier können im Vergleich zur Ofenerwärmung erhebliche Kosten eingespart werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Stückzahlunabhängigkeit des Wirkungsgrades der induktiven Schmiedeerwärmung. Bei einer Ofenerwärmung muss in der Regel bereits eine Stunde vor Schichtbeginn geheizt werden. Es wird Energie verbraucht ohne zu produzieren. Bei jeder Stockung des Materialflusses oder bei Arbeitspausen wird weiter Energie verbraucht, ohne zu produzieren. Diese Energie muss dem in der Tabelle dargestellten Wirkungsgrad zusätzlich in Abrechnung gebracht werden.

Art der Erwärmung Induktiv Kammerofen Gasbrenner
Energieträger Kraftstrom Heizöl EL Flüssiggas
Verbrauch / t bei Baustahl 1.200° C 400..500 kWh 1.200 kWh 2.000..2.500 kWh
Kosten / t (Stand Ende 2009) 40..50 EUR 60..80 EUR 120..150 EUR
Partielle Erwärmung Ja Nein Ja
Sofortige Verfügbarkeit Ja Nein Ja
Gefügeveränderung z.B. Entkohlung Nein Ja Gering
Zunderbildung Gering Hoch Sehr hoch
Erneuerbare Energie Möglich Nein Möglich

 

Automatisierbarkeit

Ein grosser Vorteil der induktiven Schmiedeerwärmung ist die von der Stückzahl unabhängige Erwärmung. Jedes Werkstück wird zu jeder Zeit auf dieselbe Temperatur erwärmt. Die Temperatur des Werkstückes wird entweder durch eine an einem Timer eingestellte Zeit oder durch eine an einem Prozessregler eingestellte Solltemperatur vorgewählt. Dieser Vorgang ist von der Verweilzeit in der Induktionserwärmungsstation unabhängig. Gegebenenfalls kann die induktive Erwärmungsstation bei Störungen des Materialflusses Werkstücke temperiert bereithalten oder exakt auf die geplante Temperatur nacherwärmen.

Induktive Schmiedeerwärmung Titanplatten

Die Reproduzierbarkeit einer induktiven Erwärmung kann mit keinem anderen Verfahren erreicht werden. Kosten- günstig lässt sich eine Erwärmung - nach entsprechenden Vorversuchen - bei gleichen Ausgangsbedingungen, das heisst exakt gleichem Halbzeug und gleicher Ausgangs- temperatur mit hoher Genauigkeit durch eine einfache Zeitsteuerung realisieren. Die STS Generatoren zur induktiven Erwärmung induzieren durch eine hochwertige Leistungselektronik innerhalb einer Zeitspanne immer die selbe Energiemenge im Werkstück.

Bei unterschiedlichen Halbzeugen oder Ausgangstempe- raturen ist eine Regelung der Temperatur mit Pyrometer und Prozessregler vorzusehen. In diesem Fall wird von der übergeordneten Steuerung nicht mehr die Erwärmungs- zeit, sondern die Solltemperatur vorgegeben. Der Generator meldet dann das Erreichen der Solltemperatur an die übergeordnete Steuerung zurück.

Die Einbindung einer induktiven Erwärmungsstation in eine Maschinensteuerung ist durch die von STS verwendeten optoisolierten Schnittstellen problemlos möglich. Üblicherweise wird das Ein- und Ausschalten sowie die Vorgabe der Solltemperatur von der übergeordneten Steuerung vorgenommen. Die Temperaturregelung selber wird durch den im Generator integrierten Prozessregler und das an diesen direkt angeschlossene Pyrometer zur Temperaturerfassung intern vorgenommen. Auf diese Weise lässt sich die Regelqualität durch Vermeidung von Todzeiten, welche durch die optoisolierten Schnittstellen und weitere Signalwandlungsprozesse bedingt sind, verbessern.

Die induktive Schmiedeerwärmung ist optimal automatisierbar, weil die Induktions-Erwärmungs-Station für die Fertigungslinie nicht taktbestimmend ist.
 

Die Wahl der optimalen Betriebsfrequenz

Im Gegensatz zu allen anderen Erwärmungsverfahren wird bei der induktiven Erwärmung die Wärme direkt im Werkstück erzeugt und nicht über andere Energieträger, wie Wärmestrahlung oder durch Oberflächenkontakt mit heissen Gasen aufgebracht. Abgesehen von der Energiedichte lässt sich durch die Höhe der Betriebsfrequenz eine gewisse Variation der Aufheizgeschwindigkeit und Durchwärmung erreichen.

Schmiedeerwärmung Werkzeug

Im Gegensatz zu allen anderen Erwärmungsverfahren wird bei der induktiven Erwärmung die Wärme direkt im Werkstück erzeugt und nicht über andere Energieträger, wie Wärmestrahlung oder durch Oberflächenkontakt mit heissen Gasen aufgebracht.

Für den Wirkungsgrad der induktiven Erwärmung ist es entscheidend, dass sich die im Werkstück induzierten Ströme nicht in der Mitte des Werkstücks aufheben. Dazu ist eine Mindestfrequenz einzuhalten. Die Mindestfrequenz bei Schmiedetemperatur beträgt für Baustähle mit einer kleinsten Abmessung von 10mm des Erwärmungsquer- schnittes 200kHz. Die kleinste Abmessung 10mm des Querschnittes haben Rundstäbe mit Ø10mm, Vierkant- Halbzeug 10x10mm und jedes Flach-Halbzeug mit 10mm Dicke. Der Zusammenhang zwischen Mindestfrequenz und kleinster Abmessung des Querschnittes ist näherungsweise umgekehrt proportional. Eine Verfünffachung der kleinsten Abmessung des Querschnittes auf 50mm reduziert die Mindestfrequenz auf 1/5, also 40kHz. Aus einer Tabelle im Appendix dieser Internetseite kann für verschiedene Werkstoffe und Anwendungstemperaturen die Mindestfrequenz entnommen werden.

Eine höhere Frequenz als die Mindestfrequenz ist aus Gründen der Verbesserung der Anpassung des niederohmigeren metallischen Werkstücks an den immer hochohmigeren Generator vorzuziehen. Durch die Wahl einer höheren Frequenz wird die Skintiefe reduziert, weshalb sich der Wechselspannungswiderstand des Werkstücks erhöht. Aus einer höheren Frequenz resultiert deshalb für metallische Werkstoffe immer eine Verbesserung des Wirkungsgrades, was sich in einer höheren Aufheizgeschwindigkeit und niedrigeren Erwärmungs-Stückkosten darstellt. Mit der Ausnahme von schlecht wärmeleitenden austenitischen Stählen (nichtmagnetische Edelstähle), sollte zur Verbesserung des Wirkungsgrades immer eine möglichst hohe Betriebsfrequenz angestrebt werden. Dabei ist zu beachten, dass die Wirtschaftlichkeitsgrenze von Halbleiter-Generatoren zur Zeit bei etwa 400kHz liegt.

Induktive Schmiedeerwärmung für Schneidwaren

Der Nachteil, dass das nicht vom Strom durchflossene Innere des Werkstücks von der äusseren Schicht nur über Wärmeleitung erwärmt wird, ist kein wesentlicher Nachteil. Der Grund liegt in den Verhältnissen von Durchmesser zu Volumen. Wird ein Werkstück mit der kleinsten Abmessung des Querschnittes von 20mm, statt der Mindestfrequenz von 50kHz mit 100kHz erwärmt, so wird ein Kern von 6mm Durchmesser nicht mehr direkt vom induzierten Strom, sondern nur durch Wärmeleitung erwärmt. Hier ist das Volumenverhältnis von direkter zu indirekter Erwärmung etwa 10:1. Ein endgültiger Temperaturausgleich wird sich - selbst bei einer austenitischen Stahllegierung mit schlechter Wärmeleitfähigkeit - innerhalb der kurzen Zeit vollziehen, welche das Werkstück zum Wechsel von der Erwärmungsstation zur Umformstation benötigt. Bei allen NE-Metallen - ausser Bronze und Zinn - liegt die Wärme­leitfähigkeit deutlich über der von Stahllegierungen, weshalb hier keine Verzögerung der Durchwärmung auftritt.
 

Zusammenfassung

Die induktive Schmiedeerwärmung ist die sauberste, am besten automatisierbare und - bei industriellen Stückzahlen - wirtschaftlichste Methode der Schmiedeerwärmung. Bei der induktiven Schmiedeerwärmung entsteht an den Arbeitsplätzen weder Geruch noch Feuchtigkeit oder Strahlungswärme durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern. Ein sauberer Arbeitsplatz senkt die physische Beanspruchung des Personals und hilft arbeitsbedingte Fehlzeiten zu reduzieren. Eine induktive Erwärmungsstation ist jederzeit sofort bereit eine qualitativ hochwertige Erwärmung mit höchster Reproduzierbarkeit zu liefern, egal ob als Einzelstück oder als Grossserie. Induktionserwärmung ist die wirtschaftlichste Schmiedeerwärmung, wenn den im Vergleich zum Ofen etwas höheren Investitionskosten eine entsprechende Produktionsstückzahl gegenübergestellt wird. Bei der Analyse des Break-Even-Point ist ihnen STS Systemtechnik Skorna gerne mit einer jahrzehntelangen Erfahrung behilflich.

Bitte schildern Sie uns Ihre Erwärmungsaufgabe, wir finden für Sie eine moderne und kostenoptimierte Lösung.

 


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