Eine große, geschmiedete Welle kann nach der Grobbearbeitung eine perfekte Geometrie aufweisen, sich aber während der Wärmebehandlung verziehen. Geringfügige Verformungen lassen sich bei kurzen Wellen leicht beheben, doch bei mehreren Metern langen Bauteilen ist der Spielraum für Fehler sehr gering.
Selbst geringfügige Biegungen verlängern die Schleifarbeiten, verringern das Zapfenmaterial und verändern den Rundlauf des Lagersitzes. Speziell geschmiedete SchäfteErforderlich ist eine Stabilitätsplanung über den gesamten Schmiede-, Wärmebehandlungs- und Endbearbeitungsprozess hinweg, nicht nur bei der Endkontrolle.
Große Schmiedewellen können Folgendes umfassen:
- Gerade Schäfte
- Stufenschäfte
- Flanschwellen
- Hohlwellen
- Rotorwellen
- Generatorwellen
- Getriebewellen
Wo Dimensionsänderungen üblicherweise auftreten
| Schachtbereich | Mögliche Änderung | Produktionseffekt |
| Langer Schaftkörper | Biegung | Zusätzliches Glätten |
| Lagerzapfen | Durchmesseränderung | Zusätzliches Schleifen |
| Große Schulter | Lokale Verzerrung | Ausrichtungskorrektur |
| Flanschende | Gesichtsbewegungen | Kopplungsprobleme |
| Innenbohrung | Konzentrizitätsänderung | Extrem langweilig |
| Stufenabschnitt | Auslaufabweichung | Nachbearbeitung |
Restspannungen aus dem Schmiedeprozess
Schlüsselfaktor: Verteilung der inneren Spannungen
SchmiedenDie Welle wird durch starke plastische Verformung verändert. Nach dem Abkühlen mag das Äußere stabil erscheinen, doch können innere Spannungen weiterhin bestehen.
Mehrere Operationen können zu diesem Zustand beitragen:
- Beunruhigend
- Zeichnung
- Lokale Bildung
- Glätten
- Wiederholte Durchmesserübergänge
Bei der Wärmebehandlung der Welle werden einige dieser Spannungen abgebaut oder neu verteilt.
Das Ergebnis hinsichtlich der Dimensionen könnte wie folgt aussehen:
- Wellenbiegung:Die ursprüngliche Mittellinie verschiebt sich leicht.
- Journalauslauf:Zuvor ausgerichtete Flächen rotieren nicht mehr um exakt dieselbe Achse.
- Schulterbewegung:Die axialen Abmessungen verschieben sich um gestufte Abschnitte herum.
- Durchmesserabweichung:Beim Endbearbeitungsprozess muss überschüssiges Material entfernt werden.
Schmiedegleichmäßigkeit ist wichtig
Ist der Schmiederohling uneben, muss eine Seite möglicherweise deutlich stärker grob bearbeitet werden als die andere. Durch den Materialabtrag ändert sich dann das Spannungsverhältnis erneut, bevor die Wärmebehandlung beginnt.
In der Praxis:
- Ungleichmäßiges Schmiedematerial führt zu ungleichmäßigem Materialabtrag.
- Ungleichmäßiger Materialabtrag verändert die innere Spannungsverteilung.
- Ein stärkeres Ungleichgewicht im Stressverhältnis erhöht die Wahrscheinlichkeit von Bewegungen nach der Behandlung.
Bei wiederholten Sonderanfertigungen von Wellen ist es in der Regel effizienter, diesen Zustand beim Schmieden zu kontrollieren, als die gleiche Verformung bei jedem Endbearbeitungszyklus zu korrigieren.
Unterschiedliche Wellenabschnitte erhitzen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Schlüsselfaktor: Querschnittsvariation
Eine einzelne Welle kann ein großes Kupplungsende, schmale Lagerzapfen, mehrere Schultern und einen Flansch aufweisen. Sie werden zwar in denselben Ofen eingeführt, verhalten sich aber unterschiedlich thermisch.
Typische Unterschiede sind:
- Dickere Abschnitte erwärmen sich langsamer.
- Schmalere Journale reagieren schneller.
- Große Flansche speichern mehr Wärme.
- Innenbohrungen verändern die Art und Weise, wie sich Wärme durch den Abschnitt ausbreitet.
- Durch wiederholte Durchmesserübergänge entstehen entlang einer Welle mehrere thermische Zonen.
Geometrie- und Dimensionsrisiko
| Wellentyp | Stabilitätsbedenken | Bereich, den man im Auge behalten sollte |
| Gerader Schaft | Gesamtbiegung | Volle Länge |
| Stufenschaft | Ungleichmäßige Bewegung | Schultern |
| Flanschwelle | Lokale Verzerrung | Flanschübergang |
| Hohlwelle | Bohrungsbewegung | Innendurchmesser |
| Rotorwelle | Auslaufen | Lagerzapfen |
| Exzentrische Welle | Achsenbeziehung | Versetzte Abschnitte |
Der Schulterbereich benötigt mehr Aufmerksamkeit
Eine schwere Schulter neben einem kleinen Zapfen erzeugt einen deutlichen Massenunterschied. Unter Heiz- und Kühlbedingungen sind die Reaktionsgeschwindigkeiten der beiden Bereiche nicht perfekt aufeinander abgestimmt.
Dies kann sich auf Funktionsbereiche wie die folgenden auswirken:
- Lagersitze
- Dichtungspositionen
- Kupplungsabschnitte
- Montage Schultern
- Präzisionszapfenübergänge
Gleichmäßige Erwärmung wird bei großen Wellen schwieriger.
Schlüsselfaktor: Temperaturkonstanz
Dass ein Ofen seine Zieltemperatur erreicht, bedeutet nicht, dass jeder Punkt im Inneren eines großen geschmiedeten Schachts gleichzeitig diese Temperatur erreicht hat.
Bei großen Schächten sollte der Wärmebehandlungsplan mehr als nur die nominelle Ofentemperatur berücksichtigen:
- Maximaler Querschnittsdurchmesser
- Gesamtgewicht der Komponenten
- Flanschdicke
- Anzahl der gestuften Abschnitte
- Heizrate
- Haltezeit
- Position der Welle im Ofen
Eine 5.000 kg schwere Welle und eine wesentlich leichtere Welle können zwar aus der gleichen Stahlsorte gefertigt sein, ihr thermisches Verhalten ist aber eindeutig nicht identisch.
Ofenstützen können die Geradheit beeinflussen
Lange geschmiedete Schäfte sind bereits bei Raumtemperatur schwer. Bei erhöhten Temperaturen gewinnt die Auflageposition noch mehr an Bedeutung.
Mangelnde Unterstützung kann folgende Folgen haben:
- Durchhängen zwischen den Stützpunkten
- Lokale Biegung
- Erhöhter Wellenrundlauf
- Zusätzliche Richtarbeiten
- Ungleichmäßige Belastung im Bereich von Stufen
Ein Wärmebehandlungszyklus kann technisch korrekt sein, während die Welle den Ofen dennoch mit einem Geradheitsproblem verlässt.
Bei großen, kundenspezifisch geschmiedeten Wellen sollte die Ofenbeladung daher als Teil der Maßkontrolle und nicht nur als einfache Handhabung betrachtet werden.
Kühlung kann mehr Verzerrungen verursachen als Erwärmung.
Schlüsselfaktor: Ungleichmäßige Kontraktion
Durch Erhitzen dehnt sich das Material aus. Durch Abkühlen kehrt die Welle in Richtung ihrer ursprünglichen Größe zurück, jedoch ziehen sich nicht alle Abschnitte gleich schnell zusammen.
Typische Unterschiede sind:
- Dünne Journale kühlen schneller ab als dicke Journale.
- Große Flansche bleiben länger heiß.
- Freiliegende Wellenenden können anders reagieren als die Wellenmitte.
- Hohlkörper kühlen möglicherweise anders ab als Vollkörper.
- Stufenförmige Bereiche erzeugen lokale Kühlungsunterschiede.
Zu den dimensionalen Effekten können folgende gehören:
- Biegung
- Erhöhter Auslauf
- Durchmesserbewegung
- Schulterluxation
- Flanschverzerrung
- Änderung der Bohrungskonzentrizität
Eine gewisse Maßänderung nach der Wärmebehandlung ist bei großen Schmiedeteilen nicht ungewöhnlich. Entscheidender ist jedoch, ob ausreichend Bearbeitungszugabe verbleibt, um die endgültige Geometrie wiederherzustellen.
Die Bearbeitungszugabe sollte dem Risiko folgen
| Besonderheit | Priorität der Zulage | Hauptgrund |
| Lagerzapfen | Hoch | Durchmesser und Rundlauf |
| Dichtfläche | Hoch | Passform und Verarbeitung |
| Große Schulter | Mittel bis hoch | Lokale Bewegung |
| Kupplungsende | Hoch | Achsenausrichtung |
| Allgemeiner Wellenkörper | Medium | In der Regel weniger kritisch |
| Innenbohrung | Hoch | Konzentrizität |
Die Bearbeitungsreihenfolge kann die Stabilität verbessern oder verringern.
Schlüsselfaktor: Zeitpunkt der Materialentfernung
Große Schmiedewellen werden üblicherweise in mehreren Schritten bearbeitet:
- Schmieden
- Grobbearbeitung
- Wärmebehandlung
- Geradheitsprüfung
- Halbfertigbearbeitung
- Endschliff und Inspektion
Kritische Abmessungen sollten nicht zu früh fertiggestellt werden. Wärmebehandlung und grobe Vorbearbeitung können Spannungen noch abbauen und die Wellengeometrie verändern.
Präzisionsarbeiten sollten besser für spätere Phasen aufgespart werden, insbesondere für:
- Lagerzapfen
- Dichtflächen
- Splines
- Kopplungsflächen
- Präzisionsbohrungen
Die Materialgüte verändert das Verhalten der Welle.
Schlüsselfaktor: Kombination aus Werkstoff und Wärmebehandlung
Für die Herstellung großer Schmiedewellen steht eine Reihe von technischen Werkstoffen zur Verfügung, darunter Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Edelstahl und Nickelbasislegierungen.
Gängige Wellenmaterialien sind beispielsweise:
- 1045
- 4140
- 4340
- 304
- 316
Die Änderung des Materials kann sich auf mehr als nur die mechanischen Eigenschaften auswirken.
Es kann sich auch ändern:
- Wärmebehandlungstemperatur
- Halteanforderungen
- Kühlbedingungen
- Endhärte
- Bearbeitungsschwierigkeit
- Begradigungsreaktion
- Verfügbares Fertigstellungsbudget
Was sollte nach der Wärmebehandlung überprüft werden?
Das Abwarten bis zur Endbearbeitung, um Wellenbewegungen festzustellen, ist kostspielig. Die Inspektion nach der Wärmebehandlung sollte Maßänderungen erkennen, solange noch genügend Material für Korrekturen vorhanden ist.
| Prüfgegenstand | Was es prüft | Warum das wichtig ist |
| Geradheit | Gesamtwellenbiegung | Ermittelt den Begradigungsbedarf |
| Journalauslauf | Achsenänderung | Schützt die Lagerausrichtung |
| Durchmesser | Lokale Bewegung | Bestätigt den verbleibenden Lagerbestand |
| Schulterposition | Änderung der axialen Dimension | Beeinträchtigt die Montage |
| Flanschfläche | Endverzerrung | Wichtig für die Kopplung |
| Bohrungskonzentrizität | Innere Bewegung | Verhindert späte Korrekturen |
Zu den sinnvollen Nachuntersuchungen gehören:
- Messen Sie die Gesamtgeradheit der Welle.
- Prüfen Sie die Auslaufdaten bei den wichtigsten Fachzeitschriften.
- Überprüfen Sie die kritischen Durchmesser erneut.
- Messen Sie die axialen Schulterpositionen.
- Prüfen Sie die Verformung der Flanschfläche.
- Prüfen Sie gegebenenfalls die Rundlaufgenauigkeit der Bohrung.
Dimensionsstabilität ist nicht nur eine Frage der Wärmebehandlung.
Es ist möglich, dass die eigentliche Kette in einem viel früheren Stadium ihren Anfang nahm.
- Ungleichmäßiges Schmieden führt zu ungleichmäßigem Rohmaterial.
- Ungleichmäßiges Material erfordert eine stärkere Bearbeitung auf einer Seite.
- Durch den Abtrag von viel Material verändert sich das Spannungsverhältnis.
- Durch Wärmebehandlung werden weitere innere Spannungen abgebaut.
- Eine mangelhafte Ofenkonstruktion stellt eine weitere Ursache für Bewegungen dar.
- Durch die ungleichmäßige Abkühlung wird die endgültige Verzerrung sichtbar.
Durch das Feinschleifen korrigiert der Hersteller möglicherweise lediglich die Auswirkungen mehrerer vorheriger Bearbeitungsschritte. Bei kundenspezifisch geschmiedeten Wellen ist es sinnvoller, den gesamten Bearbeitungsprozess zu verbinden.
Schmieden → Rohmaterialverteilung → Vorbearbeitung → Wärmebehandlung → Abkühlen → Prüfung → Richten → Endbearbeitung
Welcher Faktor hat den größten Einfluss?
Jede Wellenkonfiguration bringt ihre eigenen bestimmenden Begrenzungsfaktoren mit sich, wobei bestimmte Variablen zu leistungsbestimmenden Prioritäten werden.
Lange, schlanke Schäfte
Ofenlagerung, Ausrichtung und gleichmäßige Kühlung stehen im Vordergrund der Prozessrisiken. Diese Faktoren sind wichtiger als alle anderen Überlegungen und erfordern höchste Aufmerksamkeit während des gesamten Fertigungsprozesses.
Schwere Stufenschäfte
Die Wandstärke, die Geometrie des Übergangs von der Wand zur Wand und die Kühlungsunterschiede haben maßgeblichen Einfluss auf die Qualität. Ihre Auswirkungen verstärken sich bei großen, gestuften Geometrien und müssen daher bei der Prozessauslegung stärker berücksichtigt werden.
Große Rotorwellen aus legiertem Stahl
Die Maßplanung wird maßgeblich von drei Schlüsselfaktoren bestimmt: der Wärmebehandlungsreihenfolge, dem thermischen Verhalten des Materials und dem Rundlauf der Zapfen. Diese Faktoren haben einen entscheidenden Einfluss auf die endgültigen Maßergebnisse.
Hohlwellen
Der Fertigungserfolg hängt von Bohrungsbewegungen, Wandstärkenabweichungen und innerer Konzentrizität ab. Diese Merkmale des Innenprofils stellen die größten Herausforderungen bei der Herstellung von Hohlwellen dar.
Flanschwellen
Besondere Aufmerksamkeit ist hinsichtlich Flanschverformungen, Übergangszonen zwischen Welle und Flansch sowie der Ausrichtung der Stirnflächen erforderlich. Diese risikoreichen Merkmale erfordern eine verstärkte Prüfmethodik, um Ausschuss zu minimieren.
Die Stabilität großer Schmiedewellen hängt von den durch den Schmiedeprozess verursachten Spannungen, der Bauteilgeometrie, den Erwärmungs- und Abkühlungszyklen, der Bearbeitungsreihenfolge und den Materialeigenschaften ab. All diese Faktoren müssen gemeinsam bewertet werden, bevor die endgültigen Maßvorgaben festgelegt werden.
Bei individuell geschmiedeten Wellen sollte beim Vorbearbeiten ausreichend Material stehen gelassen werden. Nach der Wärmebehandlung, vor dem Endschleifen und der Feinbearbeitung, sind Geradheit, Rundlauf und die Dichtflächen der Keilzapfen zu prüfen.