Große geschmiedete Wellen werden in der Regel durch gezielte Presskorrektur, kontrollierte Erwärmung, Spannungsausgleich und wiederholte Rundlaufprüfung gerichtet. Dabei muss die Verbiegung beseitigt werden, ohne dass Risse, Härteänderungen oder neue Eigenspannungen entstehen.
Warum verziehen sich geschmiedete Wellen nach der Wärmebehandlung?
Eine geschmiedete Welle kann nach dem Schmieden gerade sein, sich jedoch während des Normalisierens, Abschreckens, Anlassens oder Spannungsabbaus verbiegen. Ungleichmäßige Ausdehnung und Kontraktion können innere Spannungen freisetzen und die Welle von ihrer ursprünglichen Mittellinie abweichen lassen.
Häufige Ursachen sind:
- Ungleichmäßige Ofentemperatur
- Unterschiedliche Querschnittsdicken
- Unsachgemäße Ofenabstützung
- Unausgewogenes Abschrecken
- Schnelle Abkühlung auf einer Seite
- Restspannungen aus dem Schmiedevorgang
- Großes Verhältnis von Länge zu Durchmesser
- Unregelmäßige Materialstruktur
Lange und schlanke Wellen sind im Allgemeinen empfindlicher als kurze, dicke Bauteile. Doch auch schwere Wellen können sich verziehen, wenn Zapfen, Flansche, Schultern oder Bohrungsabschnitte unterschiedlich schnell abkühlen.
Wichtige Schritte beim Richten großer geschmiedeter Wellen
| Richtschritt | Wichtigster Kontrollpunkt | Beabsichtigtes Ergebnis |
| Rundlauf der Welle erfassen | Messung der höchsten Punkte, der Biegerichtung und der betroffenen Länge | Die tatsächliche Verformung ermitteln |
| Auswahl der Richtbedingungen | Überprüfung von Werkstoff, Härte, Wellenabmessungen und Wärmebehandlungszustand | Wählen Sie eine sichere Korrekturmethode |
| Pressrichten durchführen | Stützabstand, Kraft und Überbiegung kontrollieren | Korrigieren Sie eine mäßige Wellenkrümmung |
| Wenden Sie das Warmrichten an | Regeln Sie die Erwärmungstemperatur und die Korrekturkraft | Rückfederung an harten oder schweren Abschnitten reduzieren |
| Stabilisieren Sie die Restspannung | Regeln Sie die Abkühlung, die Ruhezeit und das anschließende Anlassen | Verhindern Sie, dass sich die Biegung wieder zurückbildet |
| Geradheit und Unversehrtheit überprüfen | Rundlauf, Härte und Oberflächenbeschaffenheit erneut prüfen | Bestätigen, dass die Welle für die Bearbeitung bereit ist |
1. Erfassen Sie den Rundlauf der Welle
Das Richten sollte mit einer Messung beginnen und nicht sofort mit einer Korrektur in der Presse. Der Lieferant muss den höchsten Punkt lokalisieren, die Biegerichtung bestimmen und feststellen, ob die Verformung lokal begrenzt ist oder sich über die gesamte Welle erstreckt.
Messung auf Rollen oder Zentrieren
Die Welle wird üblicherweise auf Präzisionsrollen, V-Blöcken oder Bearbeitungszentren gelagert und langsam gedreht. Messuhren oder Lasermesssysteme erfassen die Bewegung an mehreren Positionen.
Typische Messstellen sind:
- Hauptlagerzapfen
- Wellenenden
- Schulterbereiche
- Flanschabschnitte
- Durchmesserübergänge
- Mittlerer Abschnitt
Wird nur die Mitte gemessen, können Biegungen in der Nähe einer Schulter oder eines Zapfens übersehen werden. Lange Wellen sollten über ihre gesamte Arbeitslänge hinweg geprüft werden.
Biegerichtung markieren
Der höchste Messwert wird direkt auf dem Bauteil markiert oder in einem Prüfprotokoll festgehalten. Dadurch wird ermittelt, wo die Korrekturkraft aufgebracht werden sollte.
Das Bedienpersonal sollte außerdem Folgendes notieren:
- Gesamtwert des Messgeräts
- Abstand zwischen den Auflagern
- Position des höchsten Punktes
- Position des Tiefpunkts
- Biegelänge
- Wellentemperatur während der Messung
Eine übersichtliche Rundlaufkarte reduziert unnötige Korrekturzyklen und hilft zu verhindern, dass Kraft an der falschen Stelle ausgeübt wird.
2. Auswahl der Richtbedingungen
Die Korrekturmethode hängt vom Wellenmaterial, dem Durchmesser, der Härte, dem Biegegrad und dem verbleibenden Bearbeitungsaufmaß ab. Die Anwendung desselben Verfahrens bei jeder Welle kann zu Rissen oder unzuverlässigen Ergebnissen führen.
Passen Sie die Methode an das Material an
Jede Stahlsorte erfordert einen anderen Korrekturansatz, da ihre Verformungsbeständigkeit unterschiedlich ist. Eine gehärtete Welle weist in der Regel eine geringere Verformungsfähigkeit auf als ein geglühtes oder normalisiertes Bauteil.
Der Lieferant sollte Folgendes berücksichtigen:
- Stahlsorte
- Aktuelle Härte
- Wärmebehandlungszustand
- Wellendurchmesser
- Wandstärke bei Hohlwellen
- Lage der Querschnittsänderungen
- Erforderliche Endgeradheit
Meiner Ansicht nach ist die Härte bei der Wahl zwischen Kalt- und Warmkorrektur oft wichtiger als das Wellengewicht. Eine sehr harte Welle kann sich gegen eine Bewegung wehren und zurückspringen, selbst wenn die anfängliche Verbiegung gering erscheint.
Korrektur vor der Endbearbeitung
Das Richten wird normalerweise vor dem Fertigdrehen, Schleifen oder Polieren durchgeführt. Es sollte genügend Oberflächenmaterial verbleiben, um kleine Spuren zu beseitigen und die endgültige Rundlaufgenauigkeit wiederherzustellen.
Das Richten einer fertig bearbeiteten Welle birgt ein größeres Risiko, da der Presskontakt Folgendes beschädigen kann:
- Lagerstifte
- Dichtflächen
- Gewinde
- geschliffene Durchmesser
- Passfedernuten
- Beschichtete Bereiche
Käufer sollten daher Roh- und Fertigmaße getrennt angeben. Dies gibt dem Lieferanten ausreichend Spielraum für die Ausdehnung bei der Wärmebehandlung und die Endbearbeitung.
3. Kontrolliertes Pressrichten anwenden
Das hydraulische Pressrichten wird häufig bei mäßigen Verformungen eingesetzt. Die Welle wird an zwei Punkten abgestützt, während die Kraft nahe dem gemessenen höchsten Punkt aufgebracht wird.
Dreipunktabstützung verwenden
Der Abstand zwischen den Auflagestellen sollte der Lage und Länge der Biegung entsprechen. Zu weit auseinander liegende Auflagestellen können einen unnötig großen Wellenabschnitt verschieben, während ein zu geringer Abstand zu Spannungskonzentrationen führen kann.
Die Kontaktflächen sollten mit geeigneten Polstern oder geformten Blöcken geschützt werden. Dies verhindert Dellen und verteilt den Druck gleichmäßiger über die Oberfläche.
Der Bediener steuert:
- Auflageposition
- Druckstelle
- Aufgebrachte Last
- Pressdauer
- Anzahl der Korrekturzyklen
- Wellenrotation zwischen den Kontrollen
Mehrere kleine Korrekturen sind in der Regel sicherer als ein einziger starker Presshub. Durch die schrittweise Belastung lässt sich das Verhalten der Welle zudem besser vorhersagen.
Ausgleich des Rückfederungseffekts
Stahl kehrt nach Wegfall der Presskraft teilweise in seine ursprüngliche Form zurück. Die Welle muss daher etwas über die Sollposition hinaus gebogen werden.
Die erforderliche Überbiegung hängt ab von:
- Materialfestigkeit
- Härte
- Wellen-Durchmesser
- Biegelänge
- Wärmebehandlungszustand
- Vorherige Korrekturzyklen
Zu wenig Überbiegung führt zu übermäßigem Rundlauf. Zu viel Überbiegung kann die Biegung umkehren oder lokale Spannungen verursachen, daher sollte nach jedem Presszyklus eine Messung erfolgen.
4. Heißrichten bei harten oder massiven Querschnitten
Das Warmrichten kann gewählt werden, wenn die Kaltkorrektur übermäßige Kraft erfordert oder zu starkem Rückfederungseffekt führt. Es eignet sich besonders für große Durchmesser, gehärtete Legierungen und Wellen mit starken lokalen Querschnitten.
Regelung der Arbeitstemperatur
Die Welle kann in einem Ofen erhitzt oder während einer geeigneten Temperphase korrigiert werden. Die Temperatur muss innerhalb eines für den jeweiligen Stahl und den jeweiligen Wärmebehandlungszustand zugelassenen Bereichs bleiben.
Eine kontrollierte Erwärmung kann:
- die Richtkraft senken
- den Rückfederungseffekt verringern
- die Verformbarkeit verbessern
- das Rissrisiko begrenzen
- die Korrektur stabiler machen
Für kritische Bauteile sollten Temperaturaufzeichnungen beigefügt werden. Das Richten bei einer unbekannten Temperatur kann die Härte, Festigkeit und Mikrostruktur beeinflussen.
Lokale Überhitzung vermeiden
Eine direkte Beheizung mit offener Flamme kann zu starken Temperaturunterschieden führen, wenn sie nicht sorgfältig kontrolliert wird. Eine kleine überhitzte Zone kann sich rasch ausdehnen und nach dem Abkühlen eine weitere Biegung verursachen.
Der Lieferant sollte Folgendes kontrollieren:
- Erwärmungsstelle
- Erwärmungsbereich
- Maximale Temperatur
- Temperaturunterschied
- Haltezeit
- Abkühlverfahren
Bei hochbelasteten Wellen ist eine gleichmäßige Ofenbeheizung in der Regel besser vorhersehbar als eine unkontrollierte lokale Flammenkorrektur. Eine lokale Beheizung sollte nur nach einem dokumentierten Verfahren erfolgen.
5. Restspannungen stabilisieren
Eine Welle kann unmittelbar nach dem Einpressen gerade erscheinen, sich jedoch nach einigen Stunden oder während der Bearbeitung wieder verziehen. Dies geschieht, wenn sich die Restspannung noch nicht vollständig stabilisiert hat.
Welle abkühlen und ruhen lassen
Nach der Heißkorrektur sollte das Bauteil gleichmäßig abkühlen und dabei ordnungsgemäß abgestützt werden. Ein ungleichmäßiger Luftstrom oder der Kontakt mit einer kalten Oberfläche kann zu erneuten Verformungen führen.
Anschließend muss die Welle vor der Endmessung ruhen. Diese Wartezeit hilft festzustellen, ob die Korrektur auch nach Wegfall der einwirkenden Kraft und Temperatur stabil bleibt.
Der Lieferant sollte Folgendes vermeiden:
- Schnelles Abkühlen auf einer Seite
- Un abgestützte lange Spannweiten
- Ungleichmäßige Lagerflächen
- Sofortige Endbearbeitung
- Anheben an einem einzigen Punkt
Auch große Bauteile sollten mit geeigneten Hebepositionen gehandhabt werden. Eine unsachgemäße Handhabung kann eine lange Welle selbst nach erfolgreicher Richtung noch verbiegen.
Gegebenenfalls wiederholtes Anlassen
Einige Wellen erfordern nach der mechanischen Korrektur einen zusätzlichen Anlass- oder Spannungsabbauvorgang. Dies reduziert innere Spannungen, kann jedoch auch zu geringfügigen Maßänderungen führen.
Die Entscheidung hängt ab von:
- Materialspezifikation
- Endhärte
- Korrekturmaß
- Betriebsbelastung
- Kundenstandard
- Prüfanforderungen
Bei einer anschließenden Wärmebehandlung muss die Geradheit danach erneut überprüft werden. Eine vor dem letzten Zyklus durchgeführte Prüfung bestätigt nicht den Lieferzustand.
6. Geradheit und Unversehrtheit prüfen
Die Welle sollte vor der Endbearbeitung Maß- und Materialprüfungen bestehen. Die Geradheit allein reicht nicht aus, wenn durch die Korrektur die Oberfläche beschädigt oder die geforderten Eigenschaften verändert wurden.
Rundlauf erneut prüfen
Die Welle wird erneut auf Rollen, Zentriervorrichtungen oder eine Messvorrichtung gelegt und gedreht. Die Messuhren werden an denselben Stellen wie bei der Erstprüfung angebracht.
Der Abschlussbericht kann Folgendes enthalten:
- Rundlaufabweichung an jedem Zapfen
- Gesamtgeradheit
- Abweichung von der Mittellinie
- Wellenlänge
- Auflagestellen
- Messtemperatur
- Toleranz gemäß Zeichnung
Bei bearbeiteten Wellen sollten Käufer zwischen Geradheit und Rundlaufabweichung unterscheiden. Eine gerade Welle kann dennoch eine Rundlaufabweichung aufweisen, wenn die Durchmesser nicht konzentrisch sind.
Härte und Oberflächenqualität überprüfen
Bei kritischen Wellen können nach der Korrektur Härteprüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen erforderlich sein. Dies hilft dabei, Oberflächenrisse oder durch Pressen und Erhitzen verursachte Eigenschaftsänderungen zu erkennen.
Mögliche Prüfungen umfassen:
- Sichtprüfung
- Magnetpulverprüfung
- Ultraschallprüfung
- Farbpenetrationsprüfung
- Härteprüfung
- Maßprüfung
Die Prüfmethode sollte auf das Material und den Anwendungszweck abgestimmt sein. Wellen, die in Turbinen, Walzwerken, Schiffsanlagen oder schweren Getrieben zum Einsatz kommen, erfordern in der Regel eine strengere Prüfung als allgemeine mechanische Bauteile.
Stabiles Richten erfordert eine abschließende Überprüfung
Eine zuverlässige Korrektur hängt von mehreren miteinander verbundenen Kontrollmaßnahmen ab:
- Genaue Bestimmung der Biegestelle
- Geeignete Arbeitstemperatur
- Kontrollierte Presskraft
- Rückfederungskompensation
- Stabilisierung der Restspannung
Eine Welle kann nach dem Pressen zwar die Toleranz erfüllen, sich aber während des Abkühlens oder der Bearbeitung wieder verschieben. Die Endabnahme sollte Folgendes umfassen:
- Stabilisierungszeit
- Wiederholte Rundlaufmessung
- Härteprüfung, falls erforderlich
- Prüfung auf Oberflächenrisse