Umformwerkzeuge und Umformmaschinen auswählen - Schmied 1
Umformwerkzeuge und Umformmaschinen auswählen - Schmied 1
Umformwerkzeuge und Umformmaschinen auswählen - Schmied
Einleitung
Beim Schmieden wird ein metallischer Werkstoff durch Druckkräfte plastisch umgeformt. Du erzeugst die gewünschte Geometrie nicht durch Spanen, sondern durch gezieltes Fließen des Werkstoffs. Für ein gutes und sicheres Arbeitsergebnis musst Du Umformwerkzeug, Umformmaschine, Werkstückabmessungen, Werkstoff, Temperatur, Umformgrad, Stückzahl und Qualitätsanforderungen aufeinander abstimmen.
Dieser Lernkurs richtet sich an Auszubildende in der Metalltechnik, besonders an angehende Metallbauerinnen und Metallbauer der Fachrichtung Metallgestaltung sowie an Lernende in Betrieben der Massivumformung. Im Mittelpunkt steht die begründete Auswahl: Welches Werkzeug erzeugt die geforderte Form? Welche Maschine stellt die notwendige Energie oder Kraft bereit? Wie wird das Werkstück sicher gehalten und wie werden Werkzeug und Maschine geprüft?
Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du Freiformschmieden und Gesenkschmieden unterscheiden, typische Schmiedewerkzeuge fachgerecht benennen, Schmiedehämmer und Schmiedepressen nach ihrem Wirkprinzip einordnen und für einen Arbeitsauftrag eine sichere Auswahl begründen. Außerdem kannst Du Werkzeugzustand, Maschinenkennwerte, Rüstbedingungen und wesentliche Schutzmaßnahmen beurteilen.
Fachlicher Input
Schmieden als Druckumformen
Schmieden gehört zum Umformen und dort zum Druckumformen. Die Formänderung entsteht zwischen gegeneinander wirkenden Werkzeugen. Beim Freiformschmieden enthalten die Werkzeuge die vollständige Endform nicht. Der Schmied führt, dreht und versetzt das Werkstück und nähert sich der Sollform in mehreren Hüben. Beim Gesenkschmieden ist die Werkstückform ganz oder teilweise als Negativform in der Gravur des Gesenks enthalten. Dadurch lassen sich wiederkehrende Geometrien mit hoher Produktivität herstellen.
Typische Grundoperationen sind Recken, Stauchen, Absetzen, Biegen, Lochen, Spalten und Richten. Welche Operation erforderlich ist, bestimmt die Form des Werkzeuges. Ein flaches Werkzeug verteilt den Werkstoff anders als ein balliges Werkzeug, ein Fuller oder ein Absetzer. Beim Warmumformen muss die Werkzeugwahl außerdem zum Temperaturbereich und zum Fließverhalten des Werkstoffs passen.
Umformwerkzeuge und Hilfswerkzeuge
In der Schmiede werden direkt formgebende Werkzeuge von Halte-, Führungs- und Trennwerkzeugen unterschieden. Diese Unterscheidung hilft Dir, für jeden Arbeitsschritt das passende Mittel auszuwählen.
| Werkzeuggruppe | Typische Fachbegriffe | Hauptaufgabe | Auswahlhinweis |
|---|---|---|---|
| Hand- und Schlagwerkzeuge | Handhammer, Vorschlaghammer, Kreuzschlaghammer, Setzhammer | Kraft einleiten, glätten, absetzen oder örtlich umformen | Hammermasse, Bahnform, Stiellänge und Schlagaufgabe müssen zusammenpassen. |
| Unterlagen und Sättel | Amboss, Flachsattel, Rundsattel, Schmiedesattel, Gesenkplatte | Werkstück abstützen und Gegenform bereitstellen | Form, Arbeitsradius, Auflagefläche und zulässige Belastung beachten. |
| Ober- und Unterwerkzeuge | Fuller, Absetzer, Rundgesenk, Biegegesenk, Obergesenk, Untergesenk | Werkstofffluss gezielt lenken oder eine Teilform erzeugen | Werkzeugkontur muss zur gewünschten Querschnittsänderung passen. |
| Loch- und Trennwerkzeuge | Lochdorn, Durchschläger, Warmmeißel, Schrotmeißel | Öffnungen herstellen, Werkstoff trennen oder vorbereiten | Schneidenzustand, Freiwinkel, Werkstücktemperatur und Unterlage prüfen. |
| Gesenke | Vorformgesenk, Fertiggesenk, Obergesenk, Untergesenk | Wiederholgenaue Form über eine Gravur erzeugen | Werkstofffluss, Grat, Trennfuge, Radien, Verschleiß und Losgröße berücksichtigen. |
| Halte- und Führungswerkzeuge | Schmiedezange, Hebezange, Manipulator | Heißes Werkstück sicher halten, drehen und transportieren | Maulform und Maulweite müssen zum Werkstückquerschnitt passen; eine Zange ist kein Ersatz für ein Umformwerkzeug. |
Schlagwerkzeuge mit beschädigten Bahnen, Rissen oder ausgeprägten Stauchkrägen dürfen nicht weiterverwendet werden. Hammerstiele müssen fest sitzen und frei von gefährlichen Rissen sein. Bei Gesenken sind Sitz, Ausrichtung, Befestigung, Gravurzustand und die vorgeschriebene Vorwärmung beziehungsweise Schmierung nach Betriebsanweisung zu prüfen.
Umformmaschinen und ihre Wirkprinzipien
Schmiedemaschinen werden nach der Art eingeordnet, wie sie den Umformvorgang begrenzen. Bei arbeitsgebundenen Maschinen ist die verfügbare Umformarbeit beziehungsweise Energie maßgebend. Dazu gehören Schmiedehämmer und Spindelpressen. Bei weggebundenen Maschinen wird der Stößelweg durch das Getriebe bestimmt, beispielsweise bei Kurbel- oder Exzenterpressen. Bei kraftgebundenen Maschinen ist die verfügbare Presskraft entscheidend; die hydraulische Schmiedepresse ist das wichtigste Beispiel.
| Maschine | Kennzeichnendes Verhalten | Besonders geeignet | Wichtige Grenze |
|---|---|---|---|
| Schmiedehammer | Hohe Umformgeschwindigkeit, schlagartige Energieeinleitung, mehrere Hübe | Freiformschmieden, Gesenkschmieden, kleinere bis mittlere Querschnitte und kurze Taktzeiten | Schlagenergie, Rückfederung, Lärm, Schwingungen und begrenzte Tiefenwirkung beachten. |
| Lufthammer | Bärbewegung wird pneumatisch erzeugt und gut dosierbar wiederholt | Handwerkliches und betriebliches Freiformschmieden | Werkzeugaufnahme, Bärgewicht, Hubzahl und Fundament müssen passen. |
| Fallhammer oder Gegenschlaghammer | Bewegte Massen liefern hohe Arbeitsenergie | Gesenkschmieden und hohe Stückleistungen | Gesenkbelastung, Erschütterungen und sichere Beschickung beachten. |
| Spindelpresse | Energie wird über Spindel und Schwungrad beziehungsweise Direktantrieb übertragen | Gesenkschmieden mit gut steuerbarem Arbeitshub | Zulässige Arbeitsenergie und Überlastschutz einhalten. |
| Hydraulische Schmiedepresse | Langsamer Kraftaufbau, hohe Presskraft, gute Tiefenwirkung | Große Querschnitte, schwere Werkstücke und kontrolliertes Freiformschmieden | Presskraft, Hub, Einbauhöhe, Geschwindigkeit und Werkzeugeinbauraum prüfen. |
| Mechanische Presse | Festgelegter Bewegungsablauf und hohe Hubfolge | Serienfertigung mit abgestimmtem Gesenk und reproduzierbarem Prozess | Arbeitsbereich, Nennkraftverlauf und sichere Zuführung müssen zum Prozess passen. |
Das Arbeitsvermögen eines Schmiedehammers wird üblicherweise als Energie in Kilojoule angegeben. Bei Pressen ist die Nennkraft in Kilonewton oder Meganewton eine zentrale Kenngröße. Ein direkter Vergleich nur über große Zahlen ist deshalb falsch: Energie, Kraft, Hub, Geschwindigkeit, Werkzeugfläche und Werkstückwiderstand müssen gemeinsam betrachtet werden.
Schmiedehammer oder Schmiedepresse?
Ein Hammer bringt die Umformenergie in kurzer Zeit ein. Das ist günstig für schnelle Hübe, örtliche Formänderungen und hohe Taktleistungen. Die Wirkung nimmt jedoch wegen Reibung und kurzer Einwirkzeit mit der Tiefe des Werkstücks ab. Eine hydraulische Presse belastet langsamer und über einen längeren Weg. Dadurch kann der Werkstoff auch in größeren Querschnitten gleichmäßiger fließen. Für große Freiformschmiedestücke ist die Presse deshalb häufig geeigneter.
Auswahl anhand des Arbeitsauftrags
Gehe bei der Auswahl systematisch vor:
- Arbeitsauftrag auswerten: Werkstückzeichnung, Ausgangsabmessungen, Werkstoff, Sollgeometrie, Toleranzen, Oberfläche und Stückzahl klären.
- Umformfolge festlegen: Erforderliche Grundoperationen und Zwischenformen bestimmen.
- Werkzeug auswählen: Bahnform, Sattel, Ober- und Unterwerkzeug, Gesenk sowie Haltewerkzeug auf den Werkstofffluss abstimmen.
- Maschine auswählen: Notwendige Energie beziehungsweise Kraft, Hub, Arbeitsraum, Geschwindigkeit und zulässige Werkzeugabmessungen prüfen.
- Rüsten planen: Werkzeugbefestigung, Ausrichtung, Vorwärmung, Schmierung, Beschickung und Entnahme festlegen.
- Sicherheit und Qualität absichern: Gefährdungsbeurteilung, Betriebsanweisung, Prüfzustand und Qualitätsmerkmale berücksichtigen.
| Fertigungsaufgabe | Begründete Auswahl |
|---|---|
| Einzelstück mit frei entwickelter Kontur | Amboss oder geeigneter Schmiedesattel mit Handhammer beziehungsweise Lufthammer; flexible Universalwerkzeuge und passende Schmiedezange. |
| Große Welle oder großer Block | Hydraulische Schmiedepresse mit geeigneten Flach- oder Rundsätteln und mechanischer Handhabung. |
| Viele gleiche, komplexe Bauteile | Gesenkschmiedehammer, Spindel- oder mechanische Presse mit abgestimmter Vorform- und Fertiggravur. |
| Örtliche Querschnittsverringerung | Fuller oder Absetzer mit ausreichender Rundung; mehrere kontrollierte Hübe statt ungezielter Überlastung. |
| Loch in einem warmen Werkstück | Lochdorn und geeignete Lochunterlage; Werkstücktemperatur, Dornform und Austriebsmöglichkeit beachten. |
Die Maschine darf nur innerhalb ihrer freigegebenen Betriebsdaten eingesetzt werden. Die endgültige Auswahl und Freigabe erfolgt nach betrieblicher Unterweisung, Herstellerangaben, Gefährdungsbeurteilung und Betriebsanweisung.
Rüsten, Prüfen und Arbeitsschutz
Vor Arbeitsbeginn kontrollierst Du Werkzeug und Maschine. Prüfe Schlagflächen, Stiele, Zangenmäuler, Gesenke, Aufnahmen, Befestigungen, Schutzvorrichtungen, Not-Halt und den freien Arbeitsbereich. Gesenke dürfen nur bei stillgesetzter und gegen unbeabsichtigte Bewegung gesicherter Maschine gewechselt werden. Bewegliche Maschinenteile im Werkzeugeinbauraum sind nach dem betrieblich festgelegten Sicherungsverfahren zu blockieren oder abzustützen.
Beim Schmiedehammer sind Augen- und Gehörschutz, Sicherheitsschuhe und Schmiedeschürze typische persönliche Schutzausrüstungen. Das heiße Werkstück wird mit einer passenden Schmiedezange oder einem Manipulator gehalten. Hände bleiben aus dem Gefahrenbereich. Unbeabsichtigtes Betätigen des Fußhebels ist durch eine sichere Fußstellung und die vorgesehene Betätigungseinrichtung zu vermeiden. Zunder, Funken, Lärm, Schwingungen, heiße Oberflächen und Quetschstellen müssen in der Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden.
Unkontrollierte Feuchtigkeit an heißen Werkstücken oder Werkzeugen kann zu Dampf- und Zunderspritzern führen. Halte Arbeitsmittel deshalb trocken, sofern der Arbeitsprozess nicht ausdrücklich etwas anderes vorsieht. Heiße Teile werden eindeutig gekennzeichnet und nur an festgelegten Stellen abgelegt.
Fachbegriffe kompakt
Bär bezeichnet beim Schmiedehammer das bewegte Maschinenteil, das das Oberwerkzeug trägt oder auf das Werkstück wirkt. Ein Schmiedesattel ist eine auswechselbare Arbeitsfläche für das Freiformschmieden. Die Gravur ist die formgebende Vertiefung im Gesenk. Die Trennfuge ist die Teilungsebene zwischen Ober- und Untergesenk. Als Grat wird überschüssiger Werkstoff bezeichnet, der beim Gesenkschmieden in den Gratspalt fließt. Der Umformgrad beschreibt das Ausmaß der plastischen Formänderung.
Fachquellen und Vertiefung
- BGHM: Arbeitsschutz Kompakt – Schmiedehammer
- BGHM: Arbeitsschutz Kompakt – Ambosse
- DGUV: Schutz vor Bewegungen im Werkzeugeinbauraum
- Wikipedia: Schmieden
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Zu welcher Verfahrensgruppe gehört das Schmieden? (Druckumformen) (!Spanen) (!Urformen) (!Fügen)
Wodurch entsteht die Werkstückform beim Freiformschmieden hauptsächlich? (Durch gezielte Werkstückführung und mehrere Hübe) (!Durch eine vollständig geschlossene Negativform) (!Durch Materialabtrag mit einer Schneide) (!Durch Erstarren in einer Gussform)
Was kennzeichnet ein Gesenk? (Es enthält die Werkstückform ganz oder teilweise als Negativform) (!Es misst nur die Werkstücktemperatur) (!Es dient ausschließlich zum Transport) (!Es ist immer ein flacher Amboss)
Welche Maschine leitet die Umformenergie schlagartig ein? (Schmiedehammer) (!Hydraulische Schmiedepresse) (!Bandsäge) (!Drehmaschine)
Welche Maschine eignet sich besonders für große Querschnitte und eine gute Tiefenwirkung? (Hydraulische Schmiedepresse) (!Handbohrmaschine) (!Schleifbock) (!Blechschere)
Welche Größe kennzeichnet das Arbeitsvermögen eines Schmiedehammers? (Energie in Kilojoule) (!Drehzahl in Umdrehungen pro Minute) (!Stromstärke in Ampere) (!Härte in Rockwell)
Welche Hauptaufgabe hat eine Schmiedezange? (Das heiße Werkstück sicher halten und führen) (!Die Gesenkgravur herstellen) (!Die Presskraft erhöhen) (!Den Hammerbär abbremsen)
Welche Fertigung spricht besonders für ein Gesenk? (Eine größere Stückzahl gleicher komplexer Bauteile) (!Ein einmaliges frei gestaltetes Einzelstück) (!Das Sägen eines Rundstabs) (!Das Schleifen einer ebenen Fläche)
Wann darf ein Gesenkwechsel am Schmiedehammer erfolgen? (Bei stillgesetzter und gegen Bewegung gesicherter Maschine) (!Während der Hammer langsam läuft) (!Bei gedrücktem Fußhebel) (!Während das Werkstück im Gesenk liegt)
Welche Angabe gehört zwingend zur Auswahl einer Umformmaschine? (Erforderliche Kraft oder Energie und verfügbarer Arbeitsraum) (!Nur die Farbe der Maschine) (!Nur das Baujahr des Werkstücks) (!Nur die Anzahl der Fenster in der Werkstatt)
Memory
| Freiformschmieden | Form entsteht durch Werkstückführung |
| Gesenkschmieden | Negativform liegt im Werkzeug |
| Schmiedehammer | Schlagartige Energieeinleitung |
| Hydraulikpresse | Langsamer Kraftaufbau |
| Schmiedesattel | Auswechselbare Arbeitsfläche |
| Schmiedezange | Sicheres Halten heißer Werkstücke |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Wirkung am Werkstück |
|---|---|
| Recken | Länge nimmt zu und Querschnitt nimmt ab |
| Stauchen | Länge nimmt ab und Querschnitt nimmt zu |
| Absetzen | Querschnitt wird örtlich verändert |
| Lochen | Eine Öffnung wird durch Verdrängen erzeugt |
| Biegen | Werkstückachse wird gekrümmt oder abgewinkelt |
| Gesenkschmieden | Form wird durch eine Gravur bestimmt |
Kreuzworträtsel
| Amboss | Welche feste Unterlage trägt beim Handschmieden das Werkstück? |
| Gesenk | Welches Werkzeug enthält eine formgebende Gravur? |
| Presse | Welche Maschine formt mit einem vergleichsweise langsamen Kraftaufbau? |
| Hammer | Welche Maschine arbeitet mit schlagartiger Energieeinleitung? |
| Zange | Welches Hilfswerkzeug hält das heiße Werkstück? |
| Sattel | Wie heißt die auswechselbare Arbeitsfläche beim Freiformschmieden? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Werkzeugsteckbrief: Erstelle für vier Schmiedewerkzeuge je einen Steckbrief mit Fachbegriff, Aufgabe, Auswahlkriterium und typischer Gefährdung.
- Bildanalyse: Beschrifte auf einem selbst gewählten Foto Amboss, Hammer, Zange, Werkstück und Gefahrenbereich.
- Vergleich: Vergleiche Flachbahn, Finne und Rundgesenk und erkläre, wie sie den Werkstofffluss beeinflussen.
- Arbeitsschutzplakat: Gestalte ein Plakat mit den wichtigsten Schutzmaßnahmen am Schmiedehammer.
Standard
- Arbeitsplan: Plane die Werkzeugfolge zum Recken und anschließenden Lochen eines warmen Vierkantstabs.
- Auswahlbegründung: Entscheide für ein großes Wellenrohteil zwischen Schmiedehammer und hydraulischer Presse und begründe Deine Wahl.
- Betriebsinterview: Befrage eine Fachkraft zu Werkzeugprüfung, Gesenkwechsel und typischen Auswahlfehlern und fasse die Antworten zusammen.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, in dem Du Freiform- und Gesenkschmieden fachsprachlich vergleichst.
Schwer
- Entscheidungsmatrix: Entwickle eine gewichtete Matrix für die Auswahl zwischen Lufthammer, Spindelpresse und Hydraulikpresse.
- Gesenkkonzept: Skizziere für ein einfaches Serienbauteil Vorform, Fertigform, Trennfuge und möglichen Gratverlauf.
- Gefährdungsbeurteilung: Erstelle für das Rüsten eines Schmiedehammers eine Gefährdungsbeurteilung mit technischen, organisatorischen und persönlichen Maßnahmen.
- Fehleranalyse: Analysiere Unterfüllung, Faltenbildung und Maßabweichung an einem fiktiven Schmiedeteil und leite Änderungen an Werkzeug, Temperatur oder Maschine ab.
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Lernkontrolle
- Fallanalyse Einzelteil: Ein Betrieb soll ein einmaliges Zierteil mit wechselnden Querschnitten herstellen. Wähle Werkzeuge und Maschine aus und begründe, weshalb ein teures Fertiggesenk wahrscheinlich nicht wirtschaftlich ist.
- Fallanalyse Serie: Für eine Serie gleicher Pleuelrohlinge sind kurze Taktzeiten und wiederholbare Formen gefordert. Entwickle eine geeignete Prozess- und Werkzeugauswahl.
- Kraft und Energie: Erkläre anhand eines großen Blocks, warum ein Hammer mit hoher Schlagenergie nicht automatisch eine hydraulische Presse ersetzt.
- Sicheres Rüsten: Entwirf eine sichere Reihenfolge für Ausbau, Prüfung und Einbau eines Ober- und Untergesenks.
- Qualitätsübertragung: Ein Werkstück zeigt Unterfüllung in einer Gravurecke. Nenne mehrere mögliche Ursachen und ordne ihnen geeignete Korrekturmaßnahmen zu.
- Werkzeugzustand: Bewerte einen Hammer mit lockerem Stiel, gestauchtem Bahnrand und Rissanzeige und entscheide über das weitere Vorgehen.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du einen realistischen Arbeitsauftrag auswerten, die Umformfolge darstellen, geeignete Werkzeuge und eine passende Maschine auswählen sowie Deine Entscheidung mit Werkstoff, Geometrie, Stückzahl, Kraft- oder Energiebedarf und Qualitätsanforderungen begründen. Dazu gehören eine fachgerechte Werkzeugskizze, eine Prüfung der Maschinen- und Werkzeugdaten, ein sicherer Rüstplan, die Benennung der Schutzmaßnahmen und eine abschließende Qualitätskontrolle am Schmiedeteil.
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