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Fertigungstechnik von Stahlschrott über Gießen, Walzen zum Halbzeug und dann weiter Verarbeitung zum Werkzeug.
Art: Prüfungen
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vom
bis
bei
Dr. - Ing. Mark A. Swider
Königstraße 23
25348 Glückstadt 13. Mai 2022
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................ III
EINFÜHRUNG
Als Ingenieur in einer Forschungseinrichtung besteht die Aufgabe darin, einen komplexen
Fertigungsprozess zu entwickeln. Die Aufgabenstellung besteht darin aus einem Rohmaterial
die passenden Fertigungsverfahren auszuwählen und detailliert zu beschreiben, um daraus
als Endprodukt Stauchwerkzeuge anzufertigen. Diese werden im späteren Verlauf auf
Verschleiß untersucht.
SCHRITT 1: ERSCHMELZEN DER STAHLLEGIERUNG AUS DEN
ROHMATERIALIEN
Im ersten Schritt der Aufgabe, geht es darum, dass eine Masse von ca. 90-100 Kg in
Barrenform umgeschmolzen werden muss. Für diese Aufgabe stehen 4 Industrieöfen zur
Auswahl. Die Aufgabe besteht darin eine Tauglichkeitsanalyse aufzustellen und sich dann für
einen zu entscheidenden, welches nach den Eigenschaften für die bevorstehende Aufgabe
optimal erscheint. Hierfür stehen vier Elektroöfen bereit.
Frage 1.1: Elektroofen Auswahl
Im ersten Fertigungsschritt bietet sich unter den aufgeführten Industrieelektroöfen der
Lichtbogenofen (Kurz ELO auf Englisch: electric Arc Furnace (EAF)) für die Aufgabenstellung
am besten an. Der Lichtbogenofen findet typischerweise Anwendung beim Schmelzen und
Urformen von Stahl für geringe Mengen wie Kleinstserien oder Einzelanfertigung in Laboren
und Forschungseinrichtungen. Seine Vorteile in der Metallurgie und Schmelztechnik sind seine
hohe Flexibilität hinsichtlich der Einsatzstoffe die hohe Energiekonzentration erreicht werden
können, welches geeignet ist für hochschmelzende Metalle wie Stahl ist und die einfache
Regelbarkeit. „Diese Merkmale erlauben beliebige Temperaturführung, Anwendung
reaktionsfähiger Schlacken, oxidierendes oder reduzierendes Schmelzen in Abwesenheit
schädlicher Gase sowie gute Nutzung der Legierungsmetalle.“
4
Außerdem ist dieser der
Standard in der Elektrostahlherstellung. Beim Lichtbogenofenprozess wird durch
elektrochemische Einflüsse ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Einsatzgut (in dem Fall
Stahl) erzeugt, welche thermische Energie in Form von Strahlung bis zu 4000 °C erreichen
kann. Dies führt zum Aufschmelzen des Einsatzgutes. Ausreichend für Stahl, welches eine
Liquidus-Temperatur von 1425 °C - 1540 °C hat (je nach Kohlenstoffgehalt höher oder niedriger;
Liquidus-Temperatur bei dem Metall “flüssig“ wird.) Unter DIN 8580 versteht man die
systematische Einteilung von Fertigungsverfahren, wovon umschmelzen, wie in der
Aufgabenstellung beschrieben, nicht vorhanden ist. Jedoch wird der Umschmelzprozess der
Verfahrenshauptgruppe 1: Urformen zugeordnet.
4 ( 1 ) Giesserei-Praxis.de
Zur Auswahl stehen weitere elektronischen Schmelzöfen, welche durch ihre Eigenschaften
und Spezialisierung bzw. Eigenheiten der unterschiedlichen Einsatzbereich ausscheiden.
So ist der Elektronenstrahlofen besonders geeignet für hochreine Metalle wie Titan und
Vanadium und exotische Legierungen. Somit fällt dieser aus der Auswahl. Auch der
Induktionstiegelofen so wie auch der widerstandserwärmte Tiegelofen fallen aus der Auswahl,
da diese für Nichteisenmetalle (NE-Metalle) bzw. der Tiegelofen für Kupfer und Leichtmetalle
wie Aluminium, aber auch für Gold und Silber geeignet sind. Möglichkeiten zur Nachhaltigkeit
der Produkte beim Schmelzen und Umschmelzen, um zum Beispiel einen unnötigen
Energieverbrauch zu vermeiden, ist es zu empfehlen, die Mengen anzupassen. Auch bietet
Industrie 4.0 die Möglichkeit computergestützt Schmelzparameter einzusehen, zu kontrollieren,
abzuspeichern und wieder aufzurufen.
SCHRITT 2: VERGIEßEN DER STAHLSCHMELZE ZUR
HERSTLLUNG EINES ROHLINGS ZUR SPÄTEREN UMFORMUNG
ZUM HALBZEUG
Im zweiten Schritt des Fertigungsprozesses geht es um die flüssige Schmelze aus dem
Industrieofen, die dann im geeigneten Verfahren vergossen werden soll, um die geforderte
kompakte zylindrische Form zu bekommen.
Frage 2.1: Guss-Verfahren Auswahl
Die Wahl fällt auf das Feinformguss-Verfahren. Dies ist ein „Verfahren mit verlorenen Formen“,
also mit einer einmaligen Form, da dies nach dem Gießen zerstört wird. Die Verfahrensart
eignet sich besonders für eine kostengünstige und effiziente Verarbeitung. Hierbei wird
zunächst ein Modell aus Wachs (darum auch Wachsausschmelzverfahren genannt) oder
Thermoplasten hergestellt. „Das Wachs wird danach ausgeschmolzen und die Form mit
Schmelze aufgefüllt. Dieses Gießverfahren erreicht eine sehr hohe Qualität und eignet sich für
kleine Werkstückzahlen.“
5
Um Arbeitsschritte zu sparen, kann das Gussstück zur
„Gusstraube“ (auch Modelltraube) zusammengefügt werden. Das heißt, mit einem
Arbeitsschritt werden dann gleich mehrere Guss Werkstücke gegossen.
Dies wird hier aber nicht so zusammengefügt, da nach dem Errechnen der Gussrohlinge bei
einem Volumen von 2900cm³ und einem spezifischen Gewicht von Stahl von ca. 7,87g/cm³
ein Ergebnis von ca. 22,8 kg herauskommt und der Feinguss hauptsächlich „für kleine
Stückgewichte zur Anwendung, deren Gewicht zwischen einem Gramm und 10 kg liegt“
6
, fällt
dieser doch aus der ersten Wahl. Hinzukommt, dass die Wirtschaftlichkeit bei einem
Stückzahlbereich von über 1000 Stück sich rentiert. Daher wird die erste Auswahl revidiert und
alternativ auf den Sandguss-/ Handformguss verfahren die Entscheidung getroffen, welches
5
( 2 ) vioproto.de/feinguss
6 ( 3 ) vioproto.de/gussverfahren/#Feingiessen_Giessverfahren_fuer_kleine_Gussteile
Vollformguss ist das dritte Verfahren aus der Auswahl, welches auch ein „Verfahren mit
verlorenen Formen“ ist. Es bietet Kostenvorteile und ist besonders geeignet „für mittlere und
große Gussstücke (bis mehrere Tonnen) und kleinen Stückzahlen, da Formarbeiten und
Modellkosten eingespart werden können.“
10
Bei dem Gussrohling handelt es sich jedoch um
ein kleines Bauteil, warum auch diese Verfahren ausscheidet. Auch der Kokillenguss ist aus
der Wahl gefallen, da es sich nicht für wärmebehandeltes Stauchwerkzeug aus Stahl eignet,
sondern eher für niedrig Temperatur Guss wie Kupfer und Zinnlegierungen. Das
Schludergussverfahren ist eine Gussmethode, welches besonders für Hohlkörper wie Rohre
geeignet. Durch Einwirken der Zentrifugalkraft einer rotierenden Form wird das zu erstarrende
Material an die Außenwand der Gussform gedrückt und dort zum Erstarren gebracht. Daher
kommt auch dieses Verfahren nicht infrage. Schleuderguss und Kokillenguss sind Verfahren,
welches zu den Gießverfahren mit Dauerformen gehören. Das Verfahren des
Handeinformen/Sandguss ist vom Deutschen Institut für Normung (kurz: DIN) unter 8580
geführt und wird in der Hauptgruppe: 1 Urformen geführt. Unter der Gruppe 1.1: Urformen aus
dem flüssigen Zustand findet man unter 1 Schwerkraftgießen, zu dem auch das Ausgewählte
Verfahren gezählt wird. Somit ist Sandguss unter DIN 8580: 1.1.1 zu finden. Um die
Nachhaltigkeit des Gießverfahrens zu erhöhen, sollte man bevorzugt wiederverwendbaren
Sand und Modelle verwenden.
Frage 2.2: Berechnung Gesamtschmelze
Berechnung der Gesamtschmelze für einen einzelnen Gussrohling:
Gegeben: Gesucht:
Volumen des Angussspeisers: V = 2900 cm³ Masse: m
Dichte der Stahllegierungen: ρ = 7,85 kg/dm³ = 7,85 g/cm³
Durchmesser: d = 190 mm = 19 cm (d/2 = r = 9,5 cm)
Höhe (ohne Angussspeiser): h = 300 mm = 30 cm
Sicherheitsaufschlag: p = 10% = (1,1)
Formel: m = ( ((
2
m = ( ((
2
3
7 , 85 𝑔
𝑐𝑚
3
m = ( 8505 , 86 𝑐𝑚
3
3
7 , 85 𝑔
𝑐𝑚
3
Sicherheitsaufschlag = 89 , 54 𝑘𝑔 𝑥 1 , 1 = 𝟗𝟖, 𝟒𝟗 𝒌𝒈
Mit dem Sicherheitsaufschlag von 10% kommt man auf ein Gesamtgewicht pro Rohling von
98,49 kg.
10 (7) Vgl. Studienbrief Fertigunugstechnik 1 Seite 45
Frage 2.3: Berechnung Gesamtmasse
Zum Aufschmelzen der Gussrohlinge inkl. Angussspeiser werden dann somit 5 x 98,49 kg.
Insgesamt werden somit 492,45 kg als Gesamtmasse benötigt.
Frage 2.4: Physikalische Eigenschaften beim Gießen
Bei flüssigen Metallen ist die Wärmedehnung als wichtige physikalische Eigenschaft zu
bedenken, wie die daraus entstehende Volumenkontraktion, welche auch als Schwindung
bezeichnet wird. Im weiteren Verlauf wird die Vorgehensweise des Gießens und was beim
Abkühlprozess beachtet werden muss, näher beschrieben. Die Schmelze wird durch
Schräghaltung der Gießpfanne oder der Entfernung eines Stopfens im Boden des Behälters
in regelmäßigen Abständen in den oben liegenden Einguss der Form hineingefüllt, wodurch
es über das Einguss- und Anschnittsystem in den Formhohlraum gelangt. Hierbei kann der
Formhohlraum von unten (steigender Guss) oder von oben (fallender Guss) gefüllt werden.
Regulär werden Sandformen von unten gefüllt, wodurch Auswaschungen der Form vermieden
werden. Dadurch können Schlacke, Gase und weitere Verunreinigungen in den Speiser
aufsteigen, welcher permanent höher angeordnet ist als der zu speisende Bereich. Die
Schmelzwärme muss nach dem Abgießen durch die Wand der Gießform an das Umfeld
abfließen bis zur Erstarrung der Schmelze und der Bildung des festen Gusskörpers. Es setzt
ein Temperaturgefälle vom Kern zum Rand ein, wodurch es zu einer Erstarrung kommt, die
kontinuierlich in den Randbereichen einsetzt. Aufgrund der Wärmedehnung und der Änderung
des Aggregatzustandes der Schmelze kommt es zur Volumenkontraktion während des
Abkühlens. Dieser Vorgang wird als Schwindung bezeichnet und ist durch drei Bereiche
kenntlich gemacht: Liquide Schwindung im Bereich zwischen Gieß- und Liquidustemperatur.
Diese trägt zur Senkung des Flüssigkeitsspiegels im Speiser und Einguss bei.
Erstarrungsschrumpfung im Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur bei
Legierungen bzw. im Erstarrungspunkt bei natürlichen Metallen. Diese trägt zur Absenkung
des Flüssigkeitsspiegels im noch liquiden Bereich bei zeitgleichem Ansteigen des
eingefrorenem Randbereiches. Hierdurch entsteht ein kegelförmiger Hohlraum im Speiser, der
Außen- oder Makrolunker genannt wird. Stabile Schwindung beim Abkühlen von Solidus- auf
Raumtemperatur. Diese führt zur universellen Verkleinerung der Gussteilabmessungen
(kubische Schwindung) und wird durch vergleichbare Vergrößerung des Modells und des
Formhohlraums (sog. Schwindmaße) ausgeglichen.
11
Frage 2.5: Fehler beim Gießen
Durch das Temperaturgefälle der Form erstarren kleinere Querschnitte und Randbereiche
zügiger als die Kernbereiche von größeren Querschnitten. Das kann den Zufluss zwischen
flüssigem Metall aus dem Speiser und noch flüssigen Kernbereich unterbinden, was zur
11 (12) Vgl. Studienbrief 1 Fertigungstechnik - Einführung und Urformen, 2019, p. 32.
Führungswerkzeuge.“
16
Das Freiformschmieden empfiehlt sich nicht. Das Verfahren ist sehr
kostenintensiv für kleine Materialmenge daher rentiert es sich erst bei einer hohen Stückzahl.
Auch das Strangpressen ist nicht für die weitere Verarbeitung zu empfehlen. „Stahl wird
aufgrund der hohen notwendigen Temperaturen und Drücke nur seltenst mit dieser
Verfahrensart bearbeitet.“
17
Um das Thema Nachhaltigkeit zu verfolgen, besteht auch wie im
Schritt 3 die Rückführung der Reste und Ausschüsse zurück in den Wertstoffkreislauf. Eine
automatisierte Fertigungsanlage kann auch hier die Möglichkeiten der Industrie 4.0 ausreizen.
Frage 3.2: Gliederung Umformtemperatur
Abbildung 3: Lauwarmumformung von Stahl
18
Die Umformung nach der Umformtemperatur von Stahl wird wie im Diagramm dargestellt,
gegliedert. Die Gliederung ist in folgenden Umformungen unterteilt: Kaltumformung,
Lauwarmumformung, Halbwarmumformung und Warmumformung.
Frage 3.3: Abschrecken oder langsam Abkühlen?
Das schnelle Abschrecken bzw. abkühlen nach dem Umformprozess, führt zu einem Härten
des Stahls. Besonders beim unlegierten Stahl kann es sein, dass es nach dem Umformen zu
weich zum weiter verarbeiten ist, weshalb es bei solchen Eigenschaften es schon Sinn macht
diesen zu härten. Bei legiertem Stahl jedoch kann das zusätzliche härten z.B. im Ölbad zu
einer Martensitschicht führen, welches zu einem größeren Aufwand beim weiteren Verarbeiten
führt. Aus diesem Grund sollte bei dieser Phase der Bearbeitung auf das Härten verzichtet
werden.
16
(10) industryarena.com/wiki/Walzen_(Fertigungsverfahren)
17
(8) www.ingenieurkurse.de
18 (11) www.massivumformung.de
Frage 3.4: Berechnung Gesamtlänge
Berechnung der Gesamtlänge (in m) eines umgeformten Halbzeugs.
Gegeben: Gesucht:
Volumen Halbwerkzeug: V = 8505,86 cm³ Höhe bzw. Länge: h bzw. l
Dichte der Stahllegierungen: ρ = 7,85 kg/dm³ = 7,85 g/cm³
Durchmesser: d = 70 mm = 7 cm (d/2 = r = 3,5 cm)
Formel: 𝑽 = 𝜋 × 𝑟
2
2
𝑉
𝜋×𝑟
2
8508 , 86 𝑐𝑚³
𝜋𝑥 3 , 5 𝑐𝑚²
Die Gesamtlänge eines umgeformten Halbzeugs bei einem Volumen von 8508,56 cm³ und
einem Durchmesser von 70 mm beläuft sich auf eine Länge von 2,21 m.
SCHRITT 4: BEARBEITUNG DES UMGEFORMTEN ROHLINGS
Im vierten Schritt geht es um die weitere Bearbeitung der Halbwerkzeuge zum finalen
Stauchwerkzeug. Auch hier wird für diese Aufgabenstellung verschiedene Varianten
vorgeschlagen, die ja nach ihren Eigenschaften abzuwiegen gilt für die Anwendbarkeit auf das
Projekt.
Frage 4.1: Berechnung Stückzahl
Berechnung der Stückmenge je Halbwerkzeug.
Gegeben: Gesucht:
Gesamtlänge: l = 2210 mm Stückmenge: St
Stücklänge: lst. = 42 mm
Trennschnitt: t = 2 mm
Formel: 𝑺𝒕 = 𝑙 / (
)
(
)
= 50 𝑆𝑡ü𝑐𝑘
Die Stückmenge, die man aus einem Halbwerkzeug erhält, wenn man es auf 42 mm
zuschneidet und den Trennschnitt mit einbezieht, beträgt 50 Stück.
Frage 4.2: Fertigungsverfahren zum Außenkontur
Das Drehen eignet sich als Fertigungsverfahren sehr gut, um die Außenkontur des
Stauchwerkzeuges herzustellen und eine gute Oberflächengüte zu erreichen. Deshalb wird
dieses Verfahren für Schritt 4 ausgewählt. Im Folgenden wird zunächst das Drehen vorgestellt,
im Anschluss darauf die anderen vorgeschlagenen Verfahren. Drehen ist ein spanender
Vorgang, welches auf der Drehbank in der Achse des Stabes in horizontaler Kreisbewegung
durchgeführt wird. Dabei wird es mit Backen in die Bank eingespannt und durch einen
Vorschub, welches quer zur Schnittrichtung liegt.
Fläche gedreht. Besonders zu beachtenden Verfahren sind das Quer-Abstechdrehen und das
Quer-Plandrehen. Beide Verfahren wenden die Vorschubbewegung vertikal zur Drehachse
des Werkstücks an. Das Quer-Abstechdrehen wird zum Abtrennen von Werkstückteilen oder
Werkstücken genutzt. Meistens wird dieses Verfahren eingesetzt, um auf Drehautomaten
kleinere Teile von der Stange zu bearbeiten. Zu berücksichtigen ist, dass beim Plandrehen die
Schnittgeschwindigkeit mit dem Werkstückdurchmesser abweicht. Daher sollte bei größeren
Vorschubwegen die Werkstückdrehzahl an das entsprechende Drehdurchmesser angepasst
werden. ²³
SCHRITT 5: WÄREMBEHANDLUNG ZUR VERBESSERUNG DER
VERSCHLEIßFESTIGKEIT
Frage 5.1: Warum Spannungsarmglühen?
„Das Spannungsarmglühen erfolgt mit dem Zweck, im Werkstück innere Spannungen
abzubauen. Es wird bei Stahl meist in einem Temperaturbereich von 550- 650 °C durchgeführt,
wobei der Werkstoff den Spannungen entsprechend plastisch zu fließen beginnt.“
22
„Die mit diesem Verfahren behandelten Werkstücke erfuhren ihre Spannungen vornehmlich
infolge ungleichmäßiger Abkühlung nach dem Gießen, Schweißen, Schmieden oder
anderer thermischer Verfahren. Auch starke mechanische Bearbeitungen (Fräsen, Drehen,
Hobeln, Tiefziehen usw.) machen oft ein Spannungsarmglühen erforderlich. Ohne diesen
Fertigungsschritt würden bei der Weiterverarbeitung und bei
nachfolgenden Wärmebehandlungen sich solche Spannungen lösen und zu geometrischen
Abweichungen aufgrund von Verzug führen.“
23
Frage 5.2: Prozesse beim Vergüten
Unter Vergüten versteht man die Wärmebehandlung von Metallen, bei dem das Härten mit
anschließendem Anlassen kombiniert wird. Das Ziel ist es ein Hartes Gefüge oder
Festigkeit/Zähigkeit des Materials zu erhalten. Das Vergütungsverfahren bewirkt durch das
thermische Einwirken eine Gefügeänderung im Werkstoff. Zunächst wird der Stahl an die
sogenannte GSK Linie erwärmt und sofort abgeschreckt, sobald das Material durchgewärmt
ist. Das heißt es wird zum Erkalten gebracht, in dem man das z.B. in ein Ölbad oder
Wasserbad hineinlegt. Sofort danach wird es bei ca. 150 °C im Ofen gebacken. Über die Länge
der Zeit entscheidet die Masse, die Stahllegierung bzw. Metalllegierung und die erwünschten
Eigenschaften.
22
(20) www.chemie.de
23 (20) www.chemie.de
Frage 5.3: Verfahren zum Verbessern der Randschicht
Unter Randschichthärtung oder auch Oberflächenhärtung genannt, versteht man die
zusätzliche Härtung der äußeren Materialschichten bei metallischen Bauteilen. Möglichkeiten
zum Randschichthärten stellt das Induktionshärten dar. „Das induktive Härten von Stahl erfolgt,
indem das Werkstück kurze Zeit einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt wird. Hierdurch
wird eine Erhitzung des Werkstücks an der Oberfläche bis zur Rotglut erreicht. Durch eine
anschließende Abschreckung erfolgt die Härtung.“
24
Ein weiteres Verfahren ist das Flammhärten. Hierbei erfolgen sehr rasche Erwärmungen der
Randschicht auf Härtetemperatur. Anschließend erfolgt das Abkühlen mittels Wasserbrausen.
24 (21) www.maschinenbau-wissen.de
18. Böttger, Prof.Dr.-Ing. hbail. Hans-Christian und Frobin, Prof. Dr.-Ing. habil Reimar. Studienbrief 3
Fertigstechnik - Trennen. 2019. S. 7.
19. https://www.chemie.de/. [Online] https://www.chemie.de/. [Zitat vom: 12. Mai 2022.]
https://www.chemie.de/lexikon/Spannungsarmgl%C3%BChen.html#:~:text=Das%20Spannungsar
mgl%C3%BChen%20erfolgt%20mit%20dem,entsprechend%20plastisch%20zu%20flie%C3%9Fen%
0beginnt.
20. https://www.maschinenbau-wissen.de/. [Online] www.maschinenbau-wissen.de/. [Zitat vom:
12. Mai 2022.] https://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/behandlung/368-
randschichthaerten.
EIGENSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Hausarbeit selbstständig verfasst und alle für
die Arbeit verwendeten Hilfsmittel ordnungsgemäß angegeben habe. Alle Stellen der Arbeit,
die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Quellen übernommen wurden, habe ich als solche
kenntlich gemacht und die Arbeit wurde nicht in gleicher oder ähnlicher Form zum Erwerb
eines anderen Leistungsnachweises eingereicht. Mit der Übermittlung meiner Hausarbeit an
externe Dienste zur Plagiatsprüfung durch Plagiatssoftware erkläre ich mich einverstanden.
Ich versichere, dass falls meine Hausarbeit in elektronischer Form einzureichen ist, diese mit
der gedruckten Version identisch ist.
Iwan Grabowski Glückstadt, den 13. Mai
Kommentiert [ig3]: Den Begriff „Unterschrift“ habe ich
entfernt. Ist eher unnötig stehen zu lassen.
