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Grundlagen: Gesenkschmieden

Gesenkschmieden – was man über das Verfahren und seine Vorteile wissen muss

| Redakteur: Stéphane Itasse

Das Gesenkschmieden ist das am weitesten verbreitete Schmiedeverfahren.
Das Gesenkschmieden ist das am weitesten verbreitete Schmiedeverfahren. (Bild: Deutsche Edelstahlwerke)

Beim Gesenkschmieden handelt es sich um ein Warmmassivumformverfahren, welches nach DIN 8583 zu den Druckumformverfahren gerechnet wird. Dabei kommen Formwerkzeuge zum Einsatz, die gegeneinander bewegt werden und den Werkstoff in eine spezifische Richtung drängen.

Das Gesenkschmieden ist das am weitesten verbreitete Schmiedeverfahren.
Das Gesenkschmieden ist das am weitesten verbreitete Schmiedeverfahren. (Bild: Deutsche Edelstahlwerke)

Auf diese Weise nimmt der Werkstoff die Form der Gravuren im Gesenk an. Das Rohteil wird beim Gesenkschmieden auf etwa 1200 °C erwärmt. Die Umformung erfolgt über mehrere Zwischenformen, bis das Werkstück fertig ist. Der hierfür notwendige Arbeitsverlauf gliedert sich in Masseverteilung, Querschnittsvorbildung, welche häufig durch Freiformschmieden erfolgt, und Formpressen. Dieses besteht wiederum aus den Grundvorgängen Stauchen, Breiten sowie Steigen.

De facto stellt das Gesenkschmieden einen hoch entwickelten Zweig der Schmiedetechnik für die industrielle Produktion dar. Charakteristisch für das Gesenkschmieden sind sowohl das Verwenden formgebender Werkzeuge, nämlich der Gesenke, sowie von Maschinen, die hohe Kräfte aufbringen und zugleich eine exakte Führung der Werkzeuge ermöglichen. Als Werkstoffe des Gesenkschmiedens gelten alle nach ihrer Erwärmung knetbaren Metalle wie Stahl, Magnesium, Aluminium, Edelstahl sowie Messing, Kupfer und ihre Legierungen.

Grundsätzlich handelt es sich beim Gesenkschmieden um die am meisten verwendete Schmiedemethode. Sie kommt zum Einsatz, um zum Beispiel Flugzeug-, Schiffs- oder Autoteile herzustellen sowie bei Konstruktionen und der Herstellung unterschiedlicher Industrieprodukte. Benutzt werden diesbezüglich neben Kalt-, Warm- und Flachschmiedepressen auch Gesenkschmiedehämmer.

Historischer Exkurs: Gesenkschmieden in der Geschichte

Die Tradition des Gesenkschmiedens reicht mehrere Jahrtausende zurück. De facto kann das Schmieden von Eisen bis zu den Anfängen der Gewinnung von Eisen in Rennfeuern zurückgeführt werden. Damals erfolgte das Ausschmieden der Luppen zu Stäben, welche wiederum zu Waffen, Gerät und Schmuck weiterverarbeitet wurden. Aufgrund der Tatsache, dass für das Schmieden neben viel Kraft auch enorme Geschicklichkeit notwendig war, handelte es sich um eine hoch angesehene Tätigkeit. Dies spiegelt sich beispielsweise auch in der griechischen Mythologie wieder, denn der Schmied wurde zum Gott Hephaistos. In der germanischen Sagenwelt hat Wieland, der über übermenschliche Fähigkeiten verfügt, eine ebenso bedeutende Stellung inne.

So kamen Vorläufer der heutigen Schmiedegesenke beispielsweise in der Schmuckherstellung zum Einsatz – dies unter anderem auf der Insel Kreta oder in der Stadt Mykene auf dem Peloponnes circa ab 1600 v. Chr. Ein weiterer interessanter Anhaltspunkt zum Gesenkschmieden ist die Münztechnik, denn die einseitigen antiken Steinhohlformen, welche dazu verwendet wurden, Gold- und Silberbleche zu prägen, finden sich ab etwa 800 v. Chr. Zudem sind ab 600 v. Chr. die ersten Werkzeuge aus Bronze überliefert.

Einige Jahrhunderte später, nämlich ab 200 n. Chr. wurden in Rom bereits geschlossene Münzgesenke zur Doppelprägung eingesetzt. Diese verfügten über eine quadratische Führung des Oberstempels. Zu Beginn des Spätmittelalters kamen vorrangig flache, einseitige Gesenke zum Einsatz, um Eisenteile mit Ornamenten zu schmieden. Etwas später, nämlich im ausgehenden Mittelalter wurde das Gesenkschmieden zudem eingesetzt, um Arkebusen- und Kanonenkugeln herzustellen sowie zur Fertigung geschweißter Läufe.

Gesenke zum Schmieden in ihrer heutigen Form gibt es erst seit Ende des 18. Jahrhunderts. Die Grundlagen des Stahlschmiedens entstanden vorrangig im Zuge des 19. Jahrhunderts und begründeten das heute bekannte Arbeitsverfahren des Gesenkschmiedens.

Auf deutschem Boden entstanden in der Mitte des 19. Jahrhunderts beispielsweise in Solingen die ersten Messerschlägereien. Während das Gesenkschmieden zu dieser Zeit eher auf handwerklicher Tradition basierte, ist es ungefähr ab 1870 zu einem industriellen Arbeitsverfahren avanciert. Ausgeübt wurde das Gesenkschmieden damals sowohl in Schmiedeabteilungen von etwas größeren Unternehmen oder aber in der Gesenkschmiedeindustrie als eigenem Wirtschaftszweig. Diesbezüglich kann ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem Austauschbau – allem voran in der Kraftfahrzeugsindustrie – und dem Gesenkschmieden beobachten werden.

Im Zuge der weiteren Entwicklung wurden die Gesenkschmiedestücke kontinuierlich präziser, wobei die Entwicklung durch das Erarbeiten von Toleranznormen und Aufstellen von Lieferbedingungen in unterschiedlichen Staaten etwa ab dem Jahr 1937 vorangetrieben. Aufgrund der steigenden Weltbevölkerung und dem damit steigenden Massenbedarf kommt dem Gesenkschmieden eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dies ist durch die Natur des Gesenkschmiedens, welche die Massenfertigung ist, bedingt. Dabei spart das Gesenkschmieden als ein Arbeitsverfahren der Umformtechnik Stoff und Zeit, wird aber zugleich den hohen Ansprüchen an die technischen Eigenschaften der gefertigten Werkstücke gerecht.

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Gesenkschmieden: Technische und wirtschaftliche Bedeutung

Allgemein wird das Gesenkschmieden den Verfahren der Massenproduktion von einzelnen Werkstücken zugerechnet. Dabei können die Schmiedestücke lediglich einige Gramm oder aber mehrere Tonnen wiegen. Gleiches gilt für die Maße der Werkstücke, die von wenigen Zentimetern bis mehreren Metern reichen, und für die Seriengrößen, die von lediglich einigen Stücken bis zu mehreren Millionen reichen.

Auch Präzisionsteile lassen sich mittels Gesenkschmieden herstellen.
Auch Präzisionsteile lassen sich mittels Gesenkschmieden herstellen. (Bild: IFUM Hannover)

Durch das Gesenkschmieden werden vorrangig Konstruktionsteile für Maschinen, beispielsweise Flugzeuge oder Fahrzeuge, hergestellt. Daneben wird das Gesenkschmieden auch genutzt, um Werkzeuge wie Schraubenschlüssel, Zangen oder Hämmer zu produzieren.

Hauptabnehmer für Werkstücke, die aus dem Gesenkschmieden hervorgehen, sind in Deutschland die Automobilindustrie, die Zweiradindustrie, der Maschinenbau sowie die Bahnindustrie, der Bergbau, der Schiffsbau und die Flugzeugindustrie.

Dabei kann die Bedeutung, die dem Gesenkschmieden für den modernen Fahrzeug- und Maschinenbau zukommt in den folgenden Aspekten zusammengefasst werden:

  • Ganz gleich, in welcher Metallgruppe, Gesenkschmiedestücke sind wichtige Konstruktionsteile. Dabei wird der Stoff der Teile im Rahmen der Formgebungsmöglichkeiten des Gesenkschmiedens ideal ausgenutzt. Das gute Gewichts-Festigkeits-Verhältnis der Schmiedestücke garantiert die Herstellung von relativ leichten, allerdings hoch beanspruchbaren Bauteilen.
  • Durch die Kombination des Gesenkschmiedestücks und anderer Fertigungsverfahren wie dem Schweißen, Fließpressen oder Kaltprägen werden konstruktive und wirtschaftliche Vorteile erzielt.
  • Die Eigenschaften des Schmiedestücks können dank einer enormen Werkstoffauswahl an Nichteisenmetallen und Stählen in Kombination mit Wärmebehandlungsverfahren an ihre Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften sowie ihren Verwendungszweck angepasst werden.
  • Gesenkschmiedestücke können aufgrund der Genauigkeitsstufen in Bezug auf Form und Abmessung sowie die vorgegebenen Toleranzen entweder als End- oder als Rohteil weiterverarbeitet werden.
  • Gesenkschmiedestücke weise weder Poren noch anderweitige Hohlräume auf. Sie verfügen über ein homogenes, dichtes Gefüge, welches durch moderne Verfahren geprüft werden kann. Aus diesem Grund kommen gesenkgeschmiedete Bauteile vorrangig in den Bereichen zum Einsatz, in denen ein hohes Maß an Sicherheit unerlässlich ist.
  • Weil Gesenkschmiedestücke nicht nur geringe sondern auch gleichmäßige, sehr eng begrenzte Stoffzugaben aufweisen, wird entfallen unnötige Abfälle und die Bearbeitungszeit wird optimiert.
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Gesenkschmieden von der Stange

Bei dem Gesenkschmieden von der Stange kommen in der Regel etwa 2 m lange Walzstangen zum Einsatz. Diese werden an einem Ende erwärmt und im Anschluss im Gesenk geschmiedet. Nach Abschluss des Schmiedeprozesses werden die einzelnen Werkstücke von der Stange – in der Regel durch einen Hammerschlag – getrennt.

Das Gesenkschmieden von der Stange weist sowohl Vor- als auch Nachteile auf. Während zu den Vorteilen ein gutes Handling, denn das Werkstück muss nicht unter Kraftaufwand mit einer Schmiedezange gehalten werden, und die Einsparung zeitlicher Ressourcen durch das einfache Einlegen in das Gesenk zählen ist bei diesem Verfahren der Nachteil, dass der Werkstoffeinsatz höher ist, da das Volumen nicht exakt abgestimmt werden kann.

Das Gesenkschmieden von der Stange kommt in der Regel dann zum Einsatz, wenn Werkstücke in einer langgestreckten Form von einem Gewicht bis zu 3 kg und Stangendurchmessern von bis zu 50 mm geschmiedet werden sollen.

Diesem Verfahren werden neben dem Formrecken auch das Reckstauchen, das Formrundkneten, das Schließen im Gesenk und das Formstauchen zugerechnet.

Gesenkschmieden vom Stück

Bei dem Gesenkschmieden vom Stück wird entweder ein abgescherter oder abgesägter Stangenabschnitt als Ausgangsrohling verwendet. Dabei kann der Ausgangsrohling sowohl einen quadratischen als auch einen runden Querschnitt haben. In Bezug auf das Gesenkschmieden vom Stück wird abermals zwischen dem Quer- und dem Längsschmieden differenziert. Während die Verformung beim Längsschmieden in Richtung der Faser erfolgt, findet die Verformung beim Querschmieden senkrecht zur Faser statt. Vorteilhaft am Gesenkschmieden vom Stück ist, dass der Faserverlauf der äußeren Kontur optimal folgt. Als Nachteil kann der größere Materialeinsatz angesehen werden.

Das Gesenkschmieden vom Stück kommt in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz: Während das Querschmieden zum Herstellen von Werkstücken mit einer ausgeprägten Längsachse verwendet wird, dient das Längsschmieden der Herstellung scheibenförmiger, gedrungener Werkstücke. Im Allgemeinen findet das Längsschmieden vom Stück dann Anwendung, wenn schwer umzuformende und große Teile hergestellt werden sollen oder eine erhöhte Präzision erforderlich ist.

Das Gesenkschmieden vom Stück kann entweder mit oder ohne Grat erfolgen. Das Gesenkschmieden mit Grat ist in der industriellen Praxis dasjenige Formgebungsverfahren, das vorrangig zum Einsatz kommt. Im Rahmen dieses Verfahrens wird vom Werkzeug ein Werkstofffluss erzwungen, welche in und quer zur Bewegungsrichtung der Werkzeuge erfolgt. Dabei wird das Schmiedestück fast vollständig vom Werkzeug umschlossen. Durch den sogenannten Gratspalt kann der überschüssige Werkstoff abfließen.

In Bezug auf das Füllen der Gesenkgravuren wird zwischen drei Grundtypen von Füllvorgängen differenziert. Bei diesen handelt es sich um das Stauchen, das Breiten und das Steigen. Beim Stauchen erfolgt der wesentliche Werkstofffluss parallel zur Bewegung des Werkzeuges, die Ausgangshöhe wird vermindert.

Beim Breiten wird der Werkstoff seitlich verdrängt, wobei dies von innen nach außen geschieht. Der wesentliche Werkstofffluss findet beim Breiten senkrecht zur Bewegung des Werkzeuges statt. Beim Steigen werden tiefe Gravur-Hohlräume ausgefüllt, wobei der wesentliche Werkstofffluss parallel gegen die Bewegung des Werkzeuges erfolgt.

Anders als beim Schmieden mit Grat wird das Werkstück beim Schmieden ohne Grat vollständig vom Werkzeug umschlossen, entsprechend tritt kein Werkstoff aus. Der weitere Verlauf der Umformung erfolgt analog zu demjenigen mit Grat.

Gesenkschmieden vom Spaltstück

Das Gesenkschmieden vom Spaltstück basiert auf einer Ausgangsform, die aus einem Streifen Blech ausgeschnitten wird, wobei dieser Prozess durch Flächenschluss erfolgt und die Blechstreifen nahezu verlustlos zugeschnitten werden.

Im Anschluss kommt es zur Erzeugung einer Zwischenform, entweder durch Biegen oder Stauchen. Derartige Zwischenformen werden ebenso wie beim Gesenkschmieden vom Stück oder von der Stange hergestellt. Seine endgültige Form erhält das Werkstück dann im Gesenk. Das Gesenkschmieden vom Spaltstück ist vorrangig für flache, kleine Werkstücke geeignet, wobei auch dieses Schmiedeverfahren Vor- und Nachteile aufweist.

Vorteilhaft ist, dass mit diesem Verfahren ein geringer Werkstoffverbrauch einhergeht, das Rohlingsvolumen genau ist und aus diesem Grund nur eine geringe Gratbildung erfolgt. Zudem sind die Schmiedezeiten kurz, was auf die geringe Werkstoffmassenverteilung zurückzuführen ist. Nachteilig ist dagegen, dass der Faserverlauf der Form des Werkstücks nicht ideal angepasst werden kann. Hinzu kommt, dass es durch die Störung des Faserverlaufs des Schmiedestücks eine Beeinträchtigung der Biegewechselfestigkeit kommen kann.

Im Allgemeinen kommt das Gesenkbiegen vom Spaltstück dann zum Einsatz, wenn Massenteile wie Schraubenschlüssel, Zangen, Scheren oder Messer hergestellt werden sollen, die keiner allzu hohen Festigkeitsbeanspruchung genügen müssen.

Der Arbeitsablauf beim Schmieden

Grundsätzlich kann der Arbeitsablauf in verschiedene Arbeitsschritte untergliedert werden, Dabei variieren die Arbeitsschritte unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen an das Werkstück. Mit anderen Worten: Spezifische Arbeitsschritte können entweder hinzugefügt oder aber weggelassen werden. Im Folgenden werden die gängigsten Verfahrensschritte überblicksartig erläutert.

Aufgrund der Tatsache, dass der Prozess des Umformens ausschließlich in erwärmten Zustand erfolgen kann, sind in zahlreichen Betrieben die hierfür unerlässlichen Anlagen zu Schmiedelinien zusammengefasst.

  • Die Erwärmung: Der Rohling wird in einem Ofen auf die nötige Temperatur zum Umformen gebracht. Diese liegt oberhalb der Austenitisierungstemperatur des jeweiligen Werksoffs, wobei die folgenden Anlagen diesbezüglich genutzt werden: Induktive Erwärmungsanlagen, konduktive Erwärmungsanlagen, erdgasbetriebene Kammeröfen
  • Die Vorumformung: Gegebenenfalls muss der glühende beziehungsweise erwärmte Rohling mit einem Lufthammer, einer kleinen Presse oder Quer- beziehungsweise Reckkeilwalzen vorgeformt werden.
  • Das Schmieden: Im Zuge dieses Arbeitsschrittes findet die eigentliche Umformung statt. Dabei befindet sich das Werkstück im Gesenk und das Hauptschmiedeaggregat, das heißt eine Schmiedepresse oder ein Schmiedehammer, kommt zum Einsatz. Für den Umformprozess werden im Allgemeinen mehre Presshübe beziehungsweise Schläge benötigt, wobei das in der Schmiedemaschine integrierte Gesenk auch mehrere Gravuren mit verschiedenen Umformstufen enthalten kann. Bei diesen Umformstufen handelt es sich zum Beispiel um den Biegeschlag, den Rollschlag sowie die Vorgravur und die Fertiggravur.
  • Das Abgraten und Lochen: Im Rahmen dieses Arbeitsschrittes wird der überstehende Grat entfernt. Hierfür kommen spezifische Abgratwerkzeuge zum Einsatz. Bei Bedarf ist dieser Arbeitsschritt um das Lochen des Werkstückes zu ergänzen.
  • Das Nachformen: Nach Vollzug des Schmiedeteils ist es möglich, selbiges mithilfe des Gesenkes nachzuformen.
  • Die Wärmebehandlung beziehungsweise das Vergüten: Im Anschluss wird das Schmiedestück in einem Ofen abschließend vergütet.
  • Das Entzundern: Im Zuge dieses Arbeitsschrittes kommt es zur mechanischen Entfernung der Zunderschicht vom Werkstück.

Fazit: Gesenkschmieden

Grundsätzlich weist das Gesenkschmieden – dies vor allem im Vergleich zum Freiformschmieden – eine präzise Dimension auf. Daneben geht das Verfahren mit einer angemesseneren Verteilung faserigen Gewebes einher, und es ist eine geringere maschinelle Bearbeitung notwendig. Diese Vorteile verlängern die Lebensdauer der hergestellten Schmiedeteile.

Hinzu kommt, dass das Schmieden im Gesenk mit einem einfachen Handling, einer höheren Produktivität sowie einer leicht durchführbaren Automatisierung und Mechanisierung einhergeht. Allerdings werden beim Gesenkschmieden einige Investitionen in die Ausrüstung notwendig. Auch eine langwierige Produktionsvorbereitung ist charakteristisch für das Schmieden im Gesenk.

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