Smeden Uitgelegd: Proces, Types en Materialen

Wat is Smeden?

Smeden is een productieproces dat de vormgeving van metaal omvat door hameren, persen of walsen. Deze drukkrachten worden geleverd met een hamer of stempel. Smeden wordt vaak gecategoriseerd volgens de temperatuur waarop het uitgevoerd wordt: koud, warm of heet smeden.

Een breed scala aan metalen kan gesmeed worden. Typische metalen die in smeden gebruikt worden, zijn koolstofstaal, legeringsstaal en roestvrij staal. Zeer zachte metalen zoals aluminium, messing en koper kunnen ook gesmeed worden. Het smedingsproces kan onderdelen produceren met superieure mechanische eigenschappen met minimale afvalstoffen.

Het basisconcept is dat het oorspronkelijke metaal plastisch vervormd wordt tot de gewenste geometrische vorm, wat het een hogere vermoeidheidsweerstand en sterkte geeft. Het proces is economisch gezond met de mogelijkheid om onderdelen massaal te produceren en specifieke mechanische eigenschappen in het eindproduct te bereiken.

Smeden is al millennia door smeden gedaan; de traditionele producten waren keukengereedschappen, hardware, handgereedschappen, sneeuwwapens, cimbals en sieraden.

Sinds de Industriële Revolutie worden gesmeerde onderdelen breed gebruikt in mechanismen en machines waar een component hoge sterkte vereist; dergelijke gesmeerde onderdelen vereisen meestal verdere verwerking (zoals bewerking) om een bijna afgerond onderdeel te bereiken. Vandaag de dag is smeden een wereldwijde industrie.

Geschiedenis van Smeden

Smeden wordt al duizenden jaren door smeden beoefend. Eerst waren brons en koper de meest voorkomende gesmeede metalen, in de Brontijd: later, toen de mogelijkheid om de temperatuur te controleren en het proces van ijzersmelten ontdekt werd, werd ijzer het primaire gesmeede metaal.

Traditionele producten omvatten keukengereedschappen, hardware, handgereedschappen en sneeuwwapens. De Industriële Revolutie maakte smeden een efficiënter, massaproductieproces. Sindsdien heeft smeden zich ontwikkeld samen met vooruitgang in apparatuur, robotica, elektronische besturing en automatisering.

Smeden is nu een wereldwijde industrie met moderne smederijen die hoge-kwaliteit metalen onderdelen produceren in een enorme verscheidenheid aan maten, vormen, materialen en afwerkingen.

Types Smedingsprocessen

Er zijn verschillende smedingsmethoden met verschillende mogelijkheden en voordelen.

• Valsmeden (Drop forging)
• Walsmeden (Roll forging)
• Persmeden (Press forging)
• Opzetmeden (Upset forging)
• Koudsmeden (Cold Forging)
• Precisie smeden (Precision forging)
• Isotherm smeden (Isothermal forging)

1. Valsmeden (Drop Forging)

Valsmeden ontleent zijn naam aan het proces van het laten vallen van een hamer op het metaal om het in de vorm van de stempel te vormgeven. De stempel verwijst naar de oppervlakken die in contact komen met het metaal.

Er zijn twee typen valsmeden: open-stempel en gesloten-stempel smeden. Stempels zijn doorgaans vlak in vorm met sommige die duidelijk gevormde oppervlakken hebben voor gespecialiseerde operaties.

Open-stempel smeden (Smith Forging)

Open-stempel smeden is ook bekend als smith smeden. Een hamer slaat en vervormt een metaal op een stationaire aanmoed. In dit type smeden is het metaal nooit volledig ingesloten in de stempels – waardoor het kan vloeien, behalve voor de gebieden waar het in contact is met de stempels.

Het is de verantwoordelijkheid van de operator om het metaal te oriënteren en te positioneren om de gewenste eindvorm te bereiken. Vlakke stempels worden gebruikt, met sommige die speciaal gevormde oppervlakken hebben voor gespecialiseerde operaties. Open-stempel smeden is geschikt voor eenvoudige en grote onderdelen, alsook aangepaste metalen componenten.

Voordelen van open-stempel smeden:

• Betere vermoeidheidsweerstand en sterkte
• Vermindert kans op fouten en/of gaten
• Verbeterde microstructuur
• Continue korrelstroom
• Fijnere korrelgrootte

Gesloten-stempel smeden (Impression-die Forging)

Gesloten-stempel smeden is ook bekend als indrukstempel smeden. Het metaal wordt in een stempel geplaatst en aan een aanmoed bevestigd. De hamer wordt op het metaal gelaten, waardoor het vloeit en de stempelholtes vult.

De hamer is getimed om in snelle opvolging op een schaal van milliseconden in contact te komen met het metaal. Overmaat metaal wordt uit de stempelholtes geduwd, wat resulteert in een grat. De grat koelt sneller dan de rest van het materiaal, wat het sterker maakt dan het metaal in de stempel. Na het smeden wordt de grat verwijderd.

Om het metaal de eindfase te laten bereiken, wordt het door een reeks holtes in een stempel bewogen:

• Randindruk (ook bekend als fulleren of buigen): De eerste indruk om het metaal in een ruwe vorm te brengen.
• Blokkeercavitaten: Het metaal wordt in een vorm gebracht die meer lijkt op het eindproduct. Het metaal wordt gevormd met ruime bochten en afrondingen.
• Eindindruk holte: Eindfase van afwerking en detaillering van het metaal in de gewenste vorm.

Voordelen van gesloten-stempel smeden:

• Produceren onderdelen tot 25 ton
• Produceren nabij-nettovormen die slechts een kleine hoeveelheid afwerking vereisen
• Economisch voor zware productie

2. Walsmeden (Roll Forging)

Walsmeden bestaat uit twee cilindrische of half-cilindrische horizontale rollen die een ronde of platte staaf vervormen. Dit werkt om de dikte te verminderen en de lengte te vergroten.

De verwarmde staaf wordt ingevoegd en tussen de twee rollen doorgegeven, elk met een of meer gevormde gleuven – en progressief gevormd als het door de machine gewalst wordt. Dit proces gaat door tot de gewenste vorm en grootte bereikt zijn.

Voordelen van automatische walsmeden:

• Produceren weinig tot geen materiaalafval
• Creëren een gunstige korrelstructuur in het metaal
• Verminderen het dwarsdoorsnede-oppervlak van het metaal
• Produceren getapte uiteinden

3. Persmeden (Press Forging)

Persmeden gebruikt een langzame, continue druk of kracht, in plaats van de impact die gebruikt wordt in valhamer smeden. De langzamere rambeweging betekent dat de vervorming dieper bereikt, zodat het gehele volume van het metaal uniform beïnvloed wordt.

In tegenstelling tot valhamer smeden, waar de vervorming vaak alleen op oppervlakteniveau is terwijl het interieur van het metaal enigszins onvervormd blijft. Door de compressiesnelheid in persmeden te controleren, kan de interne spanning ook gecontroleerd worden.

Voordelen van persmeden:

• Economisch voor zware productie
• Grotere nauwkeurigheid in toleranties binnen 0,01–0,02 inch
• Stempels hebben minder uittrekking wat betere dimensionale nauwkeurigheid toelaat
• Snelheid, druk en beweging van de stempel worden automatisch gecontroleerd
• Procesautomatisering is mogelijk
• Capaciteit van pressen varieert van 500–9000 ton

4. Opzetmeden (Upset Forging)

Opzetmeden is een productieproces dat de diameter van het metaal vergroot door de lengte te comprimeren. Krukpersen, een speciale hogesnelheidsmachine, worden gebruikt in opzetsmidingsprocessen.

Krukpersen zijn typisch op een horizontaal vlak ingesteld om de efficiëntie te verbeteren en de snelle uitwisseling van metaal van het ene station naar het volgende. Verticale krukpersen of een hydraulische pers zijn ook opties.

Voordelen van opzetmeden:

• Hoge productiesnelheid tot 4500 onderdelen per uur
• Volledige automatisering is mogelijk
• Eliminatie van de smedingsuittrekking en grat
• Produceren weinig tot geen afval

5. Automatisch Heet Smeden (Automatic Hot Forging)

Bij automatisch heet smeden worden molenlange staafstaven aan het ene einde van de smedingsmachine bij kamertemperatuur ingevoerd, en heet gesmeede producten komen aan de andere kant uit. De staaf wordt verwarmd met hoge-vermogen inductiespulen tot een temperatuur van 2190–2370°F in minder dan 60 seconden.

De staaf wordt ontlast met rollen en in blanken gedeeld. Op dit punt wordt het metaal door verschillende vormgevingsstadia overgebracht die gekoppeld kunnen worden met hoge-snelheid koudvormoperaties. Typisch wordt de koudvormoperatie voor de afwerkingsfase gelaten. Door dit te doen, kunnen de voordelen van koudvervorming geoogst worden terwijl ook de hoge snelheid van automatisch heet smeden behouden blijft.

Voordelen van automatisch heet smeden:

• Hoge uitsnelheid
• Acceptatie van laagkostige materialen
• Minimale arbeid vereist om machines te bedienen
• Produceren weinig tot geen materiaalafval (materiaalbesparing van 20–30% ten opzichte van conventioneel smeden)

6. Precies Smeden (Net-shape of Near-net-shape Forging)

Precies smeden vereist weinig tot geen eindbewerking. Het is een smedingsmethode ontwikkeld om de kosten en afvalstoffen geassocieerd met na-smedingsoperaties te minimaliseren. Kostenbesparing wordt bereikt door de reductie van materiaal en energie, alsook de reductie van bewerking.

7. Isotherm Smeden (Isothermal Forging)

Isotherm smeden is een smedingsproces waarbij het metaal en de stempel op dezelfde temperatuur verwarmd worden. Adiabatische verwarming wordt gebruikt, er is geen netto overdracht van massa of thermische uitwisseling tussen het systeem en de externe omgeving.

De veranderingen zijn allemaal te wijten aan interne veranderingen wat resulteert in hoog gecontroleerde vervormingssnelheden. Vanwege de lagere warmteverlies, kunnen kleinere machines voor dit smedingsproces gebruikt worden.

Toepassing van Smeden

Naast motor- en transmissieonderdelen, worden gesmeerde onderdelen gebruikt voor een grote verscheidenheid aan tandwielen, kettenwielen, hefbomen, assen, spindels, kogelgewrichten, wielnaben, rollen, vorken, asbalken, lagerhouders en koppelstangen.

• Voornamelijk gesmeerde producten worden in elke mechanische industrie gebruikt.
• Turbinerotoren, generatorrotoren, etc. zijn gesmeerde producten.
• Het geeft hogere vermoeidheidssterkte dus de meeste bewegende onderdelen zoals krukas, nokassen, tandwielen, etc. worden gemaakt door smedingsoperaties.
• Koudsmeden wordt gebruikt om beitels, bouten, etc. te produceren.
• Deze worden meestal gebruikt in handgereedschappen en hardwarefabricage.
• Het wordt gebruikt in scheepsbouw in diverse constructiewerken.

Voordelen van Smeden

Smeden biedt betere mechanische eigenschappen, duktiliteit en vermoeidheids- en impactsweerstand omdat dit proces de korrelstroom verfijnt en richt volgens de vorm van het stuk. Bijna alle metalen, ferro en non-ferro, kunnen gesmeed worden.

• Onderdelen geproduceerd door smeden zijn sterker
• Het is betrouwbaarder en minder kostbaar
• Het biedt betere reactie op warmtebehandeling
• Het biedt meer consistente en betere metallurgische eigenschappen
• Het biedt brede groottebereik van producten
• Het vereist minder secundaire operaties
• Het heeft grote ontwerpflexibiliteit

Nadelen van Smeden

• Bij heet smeden is het moeilijk om secundaire operaties uit te voeren
• Kapitaalkosten zijn hoger
• Zeer hoge man- en materiaalveiligheidsprocedures moeten worden gevolgd