Welche Vorteile Schmiedeteile bieten
Wie innere Werkstoffstruktur und gezielte Materialverteilung die Belastbarkeit, Lebensdauer und wirtschaftliche Fertigung von Schmiedeteilen beeinflussen.
Die Belastbarkeit eines Bauteils hängt sowohl von seiner äußeren Form als auch vom Werkstoff und dessen Verarbeitung ab. Besonders bei wiederkehrenden Kräften oder Stößen ist daher von Bedeutung, wie die innere Werkstoffstruktur entsteht und auf die spätere Beanspruchung abgestimmt werden kann.
Beim Gesenkschmieden wird fester Werkstoff zwischen formgebenden Werkzeugen umgeformt. Dadurch entsteht die gewünschte Bauteilkontur, während sich zugleich die innere Struktur verändert. Aus diesem Zusammenhang ergeben sich wesentliche Vorteile für die Belastbarkeit, die konstruktive Auslegung und die weitere Bearbeitung eines Schmiedeteils.
Innere Beschaffenheit und Lebensdauer
Ein Ausgangspunkt ist die innere Beschaffenheit des Werkstoffs. Bereits beim Walzen des Vormaterials und anschließend beim Schmieden können vorhandene innere Hohlräume unter geeigneten Bedingungen geschlossen werden. Voraussetzung sind eine ausreichende Umformung und eine darauf abgestimmte Prozessführung.
Die Bedeutung dieses Vorgangs ergibt sich aus dem Verhalten solcher Fehlstellen unter Belastung. In ihrer Umgebung können lokal erhöhte Spannungen auftreten, die die Entstehung von Rissen begünstigen. Bei wiederkehrender Beanspruchung können diese Risse mit weiteren Lastwechseln wachsen und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Werden innere Hohlräume geschlossen, lassen sich somit mögliche Ausgangspunkte für Risse reduzieren.
Darüber hinaus beeinflusst das Schmieden den Faserverlauf. Gerichtete Merkmale des Vormaterials werden mit dem Materialfluss umgelenkt, sodass sie der späteren Bauteilkontur folgen können. Eine geeignete Ausrichtung zur Beanspruchung kann die Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung und wiederholte Belastung unterstützen.
Beide Zusammenhänge sind beispielsweise bei Gelenkköpfen oder Verbindungsteilen relevant, die über viele Lastwechsel hinweg Kräfte übertragen. Ihre Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Beanspruchung wird als Ermüdungsfestigkeit bezeichnet. Eine günstige innere Beschaffenheit und ein passend ausgerichteter Faserverlauf können diese Eigenschaft verbessern und dadurch zu einer höheren Lebensdauer beitragen. Wie stark diese Vorteile am fertigen Bauteil ausgeprägt sind, hängt zusätzlich von Werkstoff, Wärmebehandlung, Geometrie und Fertigungsqualität ab.
Materialverteilung und konstruktive Möglichkeiten
Beim Warmgesenkschmieden wird der Werkstoff vor der Umformung erwärmt. Dadurch sinkt sein Widerstand gegen die Formänderung, während größere Umformungen möglich werden. Dies erleichtert es, Material gezielt auf unterschiedliche Bereiche eines Bauteils zu verteilen.
Ein Verbindungsteil kann beispielsweise an einer Lagerstelle einen kräftigen Querschnitt benötigen, während der anschließende Schaft schlanker ausgeführt werden soll. Eine entsprechend ausgelegte Schmiedevorform stellt das Material für beide Bereiche in einem Stück bereit. Die erforderlichen Passungen werden anschließend durch Bearbeitung hergestellt.
Auf diese Weise lassen sich die Querschnitte an die tatsächlich auftretenden Kräfte anpassen. Die erreichbare Belastbarkeit kann dabei zusätzliche Reserven für den Einsatz schaffen oder konstruktiv genutzt werden, um ein Bauteil leichter beziehungsweise kompakter auszuführen. Letzteres setzt eine entsprechend angepasste Konstruktion und einen Nachweis ihrer Belastbarkeit voraus.
Vorteile für die weitere Fertigung
Die gezielte Materialverteilung wirkt sich auch auf die nachfolgenden Arbeitsschritte aus. Liegt die Schmiedevorform bereits nahe an der fertigen Kontur, muss anschließend weniger Material entfernt werden. Eine solche endkonturnahe Auslegung kann daher den Zerspanungsaufwand verringern und die Materialausnutzung verbessern, insbesondere bei Bauteilen mit ausgeprägten Querschnittsunterschieden.
Beispielsweise können größere Absätze bereits beim Schmieden entstehen, während die spanende Bearbeitung auf genaue Anschlussmaße und Funktionsflächen konzentriert wird. Wie viel Bearbeitung sich dadurch einsparen lässt, hängt von der Bauteilgeometrie, den Toleranzen und den Anforderungen an die Oberfläche ab.
Für wiederkehrende Bedarfe kommt hinzu, dass dieselben Gesenke innerhalb ihrer Standzeit erneut eingesetzt werden können. Die Kosten ihrer Herstellung verteilen sich damit auf die gefertigte Menge. Bei einer geeigneten Kombination aus Bauteil, Fertigungsfolge und Stückzahl können die technischen Vorteile des Schmiedens deshalb mit einer wirtschaftlichen Serienfertigung verbunden werden.
Aufwand und wirtschaftliche Einordnung
Diesen Vorteilen stehen zunächst die Kosten für bauteilspezifische Werkzeuge gegenüber. Hinzu kommen beim Warmschmieden die Erwärmung und gegebenenfalls eine anschließende Bearbeitung, etwa für enge Passungen oder Dichtflächen. Besonders bei kleinen Stückzahlen kann dieser Aufwand einen erheblichen Anteil der Stückkosten ausmachen.
Werden die zusätzliche Belastbarkeit, die Reserven für die Lebensdauer oder die Möglichkeiten zur gezielten Materialverteilung nicht benötigt, kann sich daher ein Guss- oder Pressteil eher lohnen, sofern es die geforderten Eigenschaften erfüllt.
Für den Einkauf ist somit entscheidend, welchen Nutzen die Eigenschaften eines Schmiedeteils im konkreten Einsatz bieten. Dazu sollten die Gesamtkosten bis zum vereinbarten Lieferzustand betrachtet werden, einschließlich Werkzeugen, Bearbeitung, gegebenenfalls Wärme- und Oberflächenbehandlung sowie Prüfungen. Neben dem Jahresbedarf beeinflusst auch die Abrufgröße die Wirtschaftlichkeit, da Rüstkosten je Fertigungslos entstehen.
Eine frühzeitige Abstimmung zwischen Einkauf, Konstruktion und Schmiede ermöglicht es, diese Zusammenhänge bereits bei der Bauteilauslegung zu berücksichtigen. Auf Grundlage von Zeichnung, Werkstoff, erwarteter Belastung und Bedarfsmengen lässt sich beurteilen, wie die Stärken des Schmiedens für die konkrete Anwendung genutzt werden können.