Smeden begrepen: definitie, proces en typen

Wat is smeden?

Smeden is een productieproces waarbij metaal gevormd wordt door hameren, persen of walzen. Deze drukrachten worden geleverd met een hamer of een vorm (die). Smeden wordt vaak gecategoriseerd naar de temperatuur waarop het uitgevoerd wordt: koud, warm of heet smeden.

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

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

Smeden wordt al millennia door smeden uitgeoefend; traditionele producten waren keukengerei, hardware, handgereedschap, snijwapens, cymbalen en sieraden.

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

Geschiedenis van smeden

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

Traditionele producten omvatten keukengerei, hardware, handgereedschap en snijwapens. 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 hoogwaardige metalen onderdelen produceren in een enorme verscheidenheid aan maten, vormen, materialen en afwerkingen.

Typen smedingsprocessen

Er zijn verschillende smedingsmethoden met verschillende mogelijkheden en voordelen.

• Valsmeden (Drop forging)
• Walzsmeden (Roll forging)
• Perssmeden (Press forging)
• Opzetsmeden (Upset forging)
• Koudsmeden (Cold Forging)
• Precisie-smeden (Precision forging)
• Isothermisch smeden (Isothermal forging)

1. Valsmeden

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

Er zijn twee typen valsmeden—open-die en closed-die smeden. Dies zijn doorgaans plat van vorm met sommige die duidelijk gevormde oppervlakken hebben voor gespecialiseerde operaties.

Open-die smeden (vrij smeden)

Open-die smeden is ook bekend als vrij smeden. Een hamer slaat en vervormt een metaal op een stationaire aanbeet. In dit type smeden is het metaal nooit volledig ingesloten in de dies—wat stelt het in staat te vloeien, behalve voor de gebieden waar het in contact is met de dies.

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

Voordelen van open-die smeden:

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

Closed-die smeden (afdruk-die)

Closed-die smeden is ook bekend als afdruk-die smeden. Het metaal wordt in een die geplaatst en aan een aanbeet bevestigd. De hamer wordt op het metaal gelaten vallen, waardoor het vloeit en de die-caviteiten vult.

De hamer is getimed om in snelle opeenvolging (milliseconden-schaal) in contact te komen met het metaal. Overmaat metaal wordt uit de die-caviteiten geperst, wat resulteert in een grat. De grat koelt sneller dan de rest van het materiaal, wat het sterker maakt dan het metaal in de die. Na het smeden wordt de grat verwijderd.

Om het metaal de finale stadia te laten bereiken, wordt het door een reeks caviteiten in een die bewogen:

• Kant-impressie (ook bekend als fulleren of buigen): De eerste impressie om het metaal in een ruwe vorm te brengen.
• Blokkeringscaviteiten: Het metaal wordt bewerkt tot een vorm die meer op het eindproduct lijkt. Het metaal wordt gevormd met ruime bochten en afrondingen.
• Finale impressie-caviteit: Finale stadium van afwerking en detaillering van het metaal in de gewenste vorm.

Voordelen van closed-die smeden:

• Produceren onderdelen tot 25 ton
• Produceren near-net-shape vorm die alleen een kleine hoeveelheid afwerking vereist
• Economisch voor zware productie

2. Walzsmeden

Walzsmeden 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 golven—en wordt progressief gevormd als het door de machine gerold wordt. Dit proces gaat door tot de gewenste vorm en maat bereikt zijn.

Voordelen van automatische walzsmeden:

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

3. Perssmeden

Perssmeden gebruikt een langzame, continue druk of kracht, in plaats van de impact die gebruikt wordt bij valsmeden. De langzamere stempelbeweging zorgt ervoor dat de vervorming dieper bereikt, zodat het hele volume van het metaal uniform beïnvloed wordt.

In tegenstelling tot valsmeden, waar de vervorming vaak alleen op oppervlakeniveau optreedt terwijl het interieur van het metaal enigszins onvervormd blijft. Door de compressiesnelheid bij perssmeden te controleren, kan de interne spanning ook gecontroleerd worden.

Voordelen van perssmeden:

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

4. Opzetsmeden

Opzetsmeden is een productieproces dat de diameter van het metaal vergroot door de lengte te comprimeren. Knikpersen, een speciaal hoogspedemachine, worden gebruikt in opzetsmedingsprocessen.

Knikpersen staan typisch op een horizontaal vlak om de efficiëntie en de snelle uitwisseling van metaal van het ene station naar het volgende te verbeteren. Vertikale knikpersen of een hydraulische pers zijn ook opties.

Voordelen van opzetsmeden:

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

5. Automatisch heet smeden

Bij automatisch heet smeden worden staafstaal in molenlengte aan het ene einde van de smedemachine bij kamertemperatuur ingevoegd, en komen heet gesmeede producten aan de andere kant uit. De staaf wordt verwarmd met hoogvermogen inductiespulen tot een temperatuur van 1200–1300°C in minder dan 60 seconden.

De staaf wordt ontzad met rollen en in blokken gesneden. Op dit punt wordt het metaal door verschillende vormgevingsstadia geleid die gekoppeld kunnen worden aan hoge-snelheid koudvorm-operaties. Typisch wordt de koudvorm-operatie voor de afwerkingsfase overgelaten. Door dit te doen, kunnen de voordelen van koudbewerking geoogst worden terwijl de hoge snelheid van automatisch heet smeden behouden blijft.

Voordelen van automatisch heet smeden:

• Hoge uitvoersnelheid
• Acceptatie van laagprijs materialen
• Minimale arbeid vereist voor het bedienen van machines
• Produceren weinig tot geen materiaalafval (materiaalbesparing van 20–30% ten opzichte van conventioneel smeden)

6. Precies smeden (net-shape of near-net-shape smeden)

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

7. Isothermisch smeden

Isothermisch smeden is een smedingsproces waarbij het metaal en de die 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 toe te schrijven aan interne veranderingen wat resulteert in zeer gecontroleerde vervormingssnelheden. Vanwege de lagere warmteverlies kunnen kleinere machines voor dit smedingsproces gebruikt worden.

Toepassing van smeden

Naast motor- en transmissie-onderdelen, worden smedstukken gebruikt voor een grote verscheidenheid aan tandwielen, kettenwielen, hefboomen, assen, spindels, kogelgewrichten, wielnaben, rollen, vorken, asbalken, lagerhouders en schakels.

• Voornamelijk gesmeede producten worden gebruikt in elke mechanische industrie.
• Turbine-rotor, generator-rotor etc. zijn gesmeede producten.
• Het geeft hogere vermoeidheidssterkte, dus de meeste bewegende delen zoals krukas, nockenwiel-tandwielen etc. worden gemaakt door smedingsoperaties.
• Koudsmeden wordt gebruikt om beitels, bouten etc. te produceren.
• Deze worden meestal gebruikt in handgereedschap- en hardware-fabricage.
• Het wordt in scheepsbouw gebruikt in diverse structurele werken.

Voordelen van smeden

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

• Door smeden geproduceerde onderdelen zijn sterker
• Het is betrouwbaarder en minder kostbaar
• Het biedt betere reactie op warmtebehandeling
• Het biedt meer consistente en betere metallurgische eigenschappen
• Het biedt breed bereik aan productformaten
• Het vereist minder secundaire operaties
• Het heeft grote ontwerpvrijheid

Nadelen van smeden

• Bij heet smeden is het moeilijk secundaire operaties uit te voeren
• Kapitaalkosten zijn hoger
• Zeer strenge veiligheidsprocedures voor mens en materiaal moeten worden gevolgd