Walzringschmieden: Nahtloser Ringprozess, Toleranzen und Lieferantenprüfungen

Ein Ring versagt normalerweise dort, wo das Metall auf sich selbst trifft. Das kann eine Schweißnaht sein oder eine Schnittkante, die den Kornfluss in seinen Bahnen stoppt. Um diese Schwachstelle zu beseitigen, gibt es das Schmieden gewalzter Ringe. Anstatt einen Ring aus einer Platte zu schneiden oder einen aus Stangenmaterial zu schweißen, beginnt der Prozess mit einem durchbohrten, donutförmigen Vorformling und rollt ihn, bis das Material in einem kontinuierlichen Kornfluss um die gesamten 360 Grad zusammengedrückt wurde.

Das Fazit zuerst, denn es erspart später Nacharbeit. Wenn ein Ring Drehmoment, Innendruck, Umkehrlast oder Ermüdungsbelastung ausgesetzt ist, ist ein nahtlos gewalzter Ring normalerweise die richtige Lösung, auch wenn er mehr kostet als ein plasmageschnittener Plattenring. Wenn es sich bei dem Teil um einen spannungsarmen Abstandshalter oder eine flache Abdeckung handelt, lohnt sich das Rollen selten als zusätzlicher Schritt. Im Rest dieser Seite wird erläutert, wie der Prozess abläuft, mit welchen Toleranzen bei einer Fälschung zu rechnen ist und was vor der Freigabe einer Bestellung überprüft werden muss.

Warum ein nahtlos gerollter Ring einen geschnittenen oder geschweißten Ring übertrifft

Metall hat eine Richtung, sobald es bearbeitet wurde. Beim Schmieden werden Einschlüsse und Korngrenzen in Richtung des Materialflusses ausgerichtet, beim Ringwalzen werden sie am Umfang ausgerichtet, was genau der Richtung entspricht, in der ein rotierender Ring seine Umfangsspannung trägt. Im Dienst sind drei Konsequenzen von Bedeutung.

• Keine Schweißnaht bedeutet keine Wärmeeinflusszone und keine Schweißnahtprüfung im am stärksten beanspruchten Teil des Teils.
• Kontinuierlicher Ringkornfluss sorgt für eine bessere Ermüdungsbeständigkeit und ein besseres Rissstoppverhalten als ein aus Blech geschnittener Ring, bei dem der Fluss in einer geraden Linie verläuft und einfach an der Schnittkante stoppt.
• Durch die Dickenverformung beim Walzen wird die innere Porosität des ursprünglichen Barrens oder Blocks geschlossen, weshalb gewalzte Ringe für druckhaltende und hochbelastete Bauteile bevorzugt werden.

Ein zerschnittener Ring ist nicht automatisch ein Schlechtteil. Für einen nicht strukturellen Abstandshalter, einen Schutzring oder ein einzelnes Reparaturstück ist das Schneiden aus der Platte schnell und kostengünstig. Der kostspielige Fehler besteht darin, einen Schnittring für eine Aufgabe zu spezifizieren, die geschmiedete Fließeigenschaften erfordert, und dann den Unterschied durch einen Feldfehler oder eine unerwartete Ablehnung bei der Ultraschallprüfung festzustellen.

Die Reihenfolge des Walzringschmiedens, Schritt für Schritt

Das Ringwalzen ist die zweite Hälfte einer längeren Schmiedesequenz, und die erste Hälfte entscheidet darüber, wie gut die zweite Hälfte sein kann. Eine typische Route verläuft wie folgt.

1. Schneiden Sie den Barren auf ein berechnetes Gewicht und erhitzen Sie ihn in einem kontrollierten Ofen auf Schmiedetemperatur.
2. Den Barren stauchen, um den Querschnitt zu vergrößern und die Gussstruktur zu festigen.
3. Durchstechen Sie den gestauchten Rohling mit einem Stempel, um einen hohlen Vorformling zu erzeugen, der oft als Donut bezeichnet wird.
4. Platzieren Sie den Vorformling zwischen der Hauptrolle und dem Dorn. Die Hauptwalze treibt an, der Dorn drückt nach innen und die Wand wird mit zunehmendem Durchmesser dünner.
5. Bringen Sie axiale oder konische Rollen ein, um die Höhe zu kontrollieren und die Flächen auszurichten, während sich der Ring ausdehnt.
6. Auf die endgültige Größe ausrollen, dann kontrolliert abkühlen, wärmebehandeln, bearbeiten und prüfen.

Die entscheidende Größe ist das Reduktionsverhältnis, also wie stark die Wandstärke beim Walzen im Vergleich zur Vorformlingswand reduziert wird. Ein Vorformling, der zu dünn gestanzt oder mit zu geringer Reduzierung gewalzt wird, kann zu einer unzureichenden Verformung in der Bohrung und einer weniger gleichmäßigen Struktur führen. Ein zu schwerer Vorformling verschwendet Material und Rollzeit. Aus diesem Grund wird das Ringwalzen rückwärts vom fertigen Teil geplant und nicht vorwärts vom Rohling, der sich gerade auf dem Gestell befindet.

Radial-Axial-Walzwerke erledigen den Großteil der industriellen Arbeit, und vertikale Ringwalzwerke sind für größere Durchmesser üblich, bei denen der Ring beim Wachsen Unterstützung benötigt. Der Größenbereich ist breit gefächert. Ringe von etwa 200 mm bis zu mehreren Metern Außendurchmesser werden nach dem gleichen Prinzip hergestellt, wobei Wandstärke, Höhe und Maschinenkapazität entscheiden, welcher Weg für die Aufgabe geeignet ist.

Vergleich der Ringproduktionsrouten

Bevor Sie sich für einen Prozess entscheiden, ist es hilfreich zu sehen, wo jede Route tatsächlich gewinnt. Im folgenden Vergleich werden Kornfluss, Nahtzustand und Materialeinsatz als Entscheidungskriterien herangezogen.

Wenn es sich bei dem Teil um einen Flanschrohling, einen Zahnradring, einen Lagerlaufring oder einen Getriebering für eine Windkraftanlage handelt, ist Walzen im Allgemeinen der bessere Weg, da die Betriebslasten in Umfangsrichtung wirken und die Strömungslinien dort enden, wo die Spannung auftritt.

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Toleranzen und As-Forged-Bedingungen, die berücksichtigt werden müssen

Gewalzte Ringe werden entweder gewalzt mit Bearbeitungszugabe oder als vorbearbeitete und andruckbearbeitete Ringe geliefert. Da es sich bei den geschmiedeten Maßen um einen Ausgangspunkt und nicht um eine Endtoleranz handelt, variieren die Zahlen je nach Durchmesser, Wandstärke, Material und Anzahl der Walzdurchgänge. Die folgende Tabelle zeigt den allgemeinen Bereich, der in der Zeichnung zu erwarten und zu bestätigen ist.

Es folgen zwei praktische Punkte. Geben Sie immer die minimale Bearbeitungszugabe für die Bohrung und nicht für den Außendurchmesser an, da die Reinigung der Bohrung normalerweise darüber entscheidet, ob ein Ring verwertbar ist. Und erwarten Sie, dass dünnwandige Ringe mit großem Durchmesser am schwierigsten rund zu halten sind. In der Ovalität entstehen die meisten Meinungsverschiedenheiten zwischen Käufer und Lieferant.

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Material- und Wärmebehandlungsoptionen für Ringschmiedestücke

Das Ringwalzen eignet sich für Kohlenstoffstähle, legierte Stähle, rostfreie Stähle, Nickellegierungen und Kupferlegierungen, sofern das Material innerhalb seines Schmiedetemperaturfensters durchstochen und gewalzt werden kann. Zu den typischen Auswahlmöglichkeiten gehören:

• Kohlenstoff- und mikrolegierte Stähle für allgemeine Strukturringe und Abstandshalter.
• Vergütete legierte Stähle wie die Güteklasse 4140 für Zahnkränze, schwere Flansche und Hochlastnaben.
• Einsatzhärtegrade für Zahnkränze, die nach dem Schmieden aufgekohlt werden.
• Austenitische Edelstähle wie 316L für Korrosions- und Hygienezwecke sowie martensitische Sorten wie 420 für Verschleißringe.

Bei der Wärmebehandlung sollten die endgültigen Eigenschaftsanforderungen und nicht die Gewohnheit berücksichtigt werden. Durch Normalisieren wird die Struktur verfeinert, bevor durch Bearbeitung, Abschrecken und Anlassen eine bestimmte Festigkeits- und Zähigkeitskombination erreicht wird. Bei austenitischen Sorten kommt Lösungsglühen zum Einsatz. Bei rostfreien Ringen sind sowohl der Schmiedetemperaturbereich als auch der Kühlweg von Bedeutung, da die falsche Kombination eine Sensibilisierung oder eine grobe Struktur hinterlassen kann, die durch keine weitere Bearbeitung korrigiert werden kann. Weitere Hintergrundinformationen finden Sie in diesem Artikel über wie man Schmiedeteile aus rostfreiem Stahl schmiedet .

Wo gerollte Ringe in schwerem Gerät verwendet werden

Getriebe von Windkraftanlagen sind das deutlichste Beispiel dafür, dass gewalzte Ringe ernsthafte Arbeit leisten. Hohlräder, Sonnenräder und Planetenträger in der 3-MW- bis 10-MW-Klasse sind im Meterbereich dimensioniert, laufen unter Umkehrdrehmoment und sollen zwei Jahrzehnte lang im Einsatz bleiben. Daher ist das Hohlrad fast immer ein nahtlos gewalzter Ring aus einsatzgehärtetem oder vergütetem legiertem Stahl.

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Andere Aufgaben folgen der gleichen Logik, weshalb die Ringform in der Schwerindustrie immer wieder auftaucht:

• Laufringe und Großwälzlagerringe für Kräne, Bagger und Hafenumschlagsgeräte.
• Wellen- und Ruderkomponenten für die Schifffahrt, bei denen Schmiedeströmung und Ultraschallreinheit an erster Stelle stehen.
• Ringe für Druckbehälter und Bohrgeräte wie Gehäuseköpfe, Dornaufhänger und Ventilkörper.
• Lagergehäuse für Walzwerke und Richtwalzen, bei denen der Ring gleichzeitig Belastung und Verschleiß standhalten muss.

Flanschringe verdienen eine gesonderte Erwähnung, da sie so häufig vorkommen. Ein gewalzter Flanschrohling behält seinen Reifenkornfluss bei, was bei Flanschen wichtig ist, die zyklischem Druck oder thermischer Bewegung ausgesetzt sind, und vermeidet die Richtungsschwäche, die bei einem aus Blech geschnittenen Flansch auftritt.

Was Sie bei einem Ringschmiedelieferanten überprüfen sollten

Beginnen Sie mit der Ausrüstungsliste. Ein Lieferant, der Ringe im eigenen Haus rollt, sollte in der Lage sein, die Größe und Kapazität seiner Mühlen und Hämmer oder Pressen anzugeben, da diese Zahlen den Durchmesser- und Gewichtsbereich definieren, der als ein Stück hergestellt werden kann. Eine Werkstatt, in der beispielsweise vertikale Ringwalzwerke der 1-m- bis 1,5-m-Klasse neben 3-, 5- und 15-Tonnen-Schmiedehämmern betrieben werden, kann sowohl mittlere Ringe als auch schwerere offene Gesenkarbeiten abwickeln, ohne dass ein Arbeitsschritt erforderlich ist.

Als nächstes kommt die Inspektionsfähigkeit. Fragen Sie nach Ultraschallprüfungen, Magnetpartikel- oder Farbeindringprüfungen, Härte- und mechanischen Prüfungen nach einem anerkannten Standard sowie Maßberichten. Fragen Sie dann nach, welche Dokumentation dem Teil beiliegt, normalerweise ein 3.1-Typprüfzertifikat mit Rückverfolgbarkeit der Schmelzennummer, das den fertigen Ring mit dem Stahl, aus dem er stammt, in Verbindung bringt.

Erkundigen Sie sich abschließend nach der nicht standardmäßigen Seite des Geschäfts, denn die meisten Ringprojekte sind nicht mehr standardmäßig, sobald eine Bohrungsstufe, eine Keilnut, ein Flansch oder ein Satz Schraubenlöcher in der Zeichnung erscheint. Ein Lieferant, der bereits abwickelt nicht standardmäßiges kundenspezifisches Schmieden und Fertigbearbeitung unter einem Dach entfällt eine ganze Kette von Transport- und Nachprüfungsschritten aus dem Zeitplan.

Wichtige Erkenntnisse

• Beim Walzringschmieden entsteht ein nahtloser Ring mit kontinuierlichem Kornfluss in Umfangsrichtung, der die richtige Wahl für Ringe ist, die Drehmoment-, Druck- oder Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind.
• Das Design des Vorformlings und das Reduktionsverhältnis entscheiden über die interne Qualität, daher muss das Walzen rückwärts vom fertigen Teil geplant werden.
• Da Schmiedemaße ein Ausgangspunkt sind. Vereinbaren Sie die Mindestbohrungszugabe und die akzeptable Ovalität vor dem ersten Lauf schriftlich.
• Material und Wärmebehandlung sollten anhand der Serviceanforderung angegeben und nicht aus einer alten Zeichnung kopiert werden.
• Überprüfen Sie die Mühlenkapazität, den Inspektionsumfang und die Rückverfolgbarkeit der Zertifizierung, bevor Sie eine Bestellung aufgeben.