Schmieden als Fertigungsverfahren des Umformens

Die Massivumformung von Stahlteilen wird tra­ditio­nell als Schmie­den be­zeich­net. Dabei unter­scheidet man Frei­form­schmie­den und Gesenk­schmie­den. Als Frei­form­schmie­den 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 Frei­form­schmie­den 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.

Durch die Möglichkeit der partiellen Erwär­mung und des deutlich besseren Wir­kungs­grades gegenüber Durch­lauf­öfen bieten sich Induk­tions­erwär­mungs­ver­fahren zur Erwär­mung der Werk­stoff­roh­linge an. Durch die Erwär­mung 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.

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

Bei unterschiedlichen Halbzeugen oder Ausgangs­tempera­turen ist eine Regelung der Tempe­ratur mit Pyro­meter und Prozess­regler vor­zu­sehen. In diesem Fall wird von der über­geord­neten Steuerung nicht mehr die Er­wärmungs­zeit, 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.

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 10 mm des Erwärmungs­quer­schnittes 200 kHz. Die kleinste Ab­messung 10 mm des Quer­schnittes haben Rund­stäbe mit Ø 10 mm, Vier­kant-Halb­zeug 10 x 10 mm und jedes Flach-Halb­zeug mit 10 mm Dicke. Der Zu­sammen­hang zwischen Mindest­fre­quenz und kleinster Ab­messung des Quer­schnittes ist näherungs­weise umge­kehrt pro­por­tio­nal. Eine Ver­fünf­fachung der kleinsten Ab­messung des Quer­schnittes auf 50 mm reduziert die Mindest­frequenz auf 1/5, also 40 kHz. 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 400 kHz abnimmt.

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 20 mm, statt der Mindest­frequenz von 50 kHz mit 100 kHz 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.

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