Walzen
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Walzen ist ein Umformverfahren, bei dem der (meist metallische) Werkstoff zwischen zwei oder mehreren rotierenden Werkzeugen, nämlich Walzen, umgeformt wird. Findet die Umformung oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs statt, wird sie Warmwalzen genannt, sonst Kaltwalzen. Die Arbeit des Walzers ist heute überwiegend automatisiert.
Bezogen auf die Materialverformung ist das Walzen ein Massivumformverfahren und eng verwandt mit dem Hämmern oder Schmieden.
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[Bearbeiten] Walzen
Im Ordnungssystem der Druckumformverfahren nach DIN 8583 unterscheidet man Längs-, Quer- und Schrägwalzen.
- Längswalzen
- Flach-Längswalzen
- Profil-Längswalzen
- Querwalzen
- Flach-Querwalzen
- Profil-Querwalzen
- Schrägwalzen
- Flach-Schrägwalzen
- Profil-Schrägwalzen
[Bearbeiten] Längswalzen
Beim Längswalzen wird das Walzgut senkrecht zu den Walzenachsen ohne Drehung um die eigene Achse durch den Walzspalt bewegt. Es tritt als Strang aus den gegensinnig umlaufenden Walzen aus. Der Strang mit gleich bleibendem Querschnitt ist meist Halbzeug, das weiter verarbeitet wird. Die Erzeugnisse können nach ihrer Geometrie in Flach- und Profilprodukte unterteilt werden. Die Werkzeuge heißen dementsprechend Flach- beziehungsweise Profilwalzen.
[Bearbeiten] Breit-/Flachprodukte
Bleche und Bänder aus Stahl und Nichteisenmetallen werden durch Walzen zwischen zwei nahezu parallelen zylindrischen Walzen erzeugt. Damit der Walzspalt verändert werden kann (Einstellung des Bandprofils), werden manche Walzen auf eine spezielle, nicht exakt zylindrische, Form geschliffen. Dabei gibt es von verschiedenen Herstellern unterschiedliche Vorschläge. Durch eine Verschiebung der Walzen in Achsenrichtung wird die Bandwölbung gesteuert.
Um die Durchbiegung der mit dem Walzgut in Kontakt stehenden Arbeitswalzen zu verringern, werden diese oft durch Stützwalzen – in der Regel großen Durchmessers – gestützt. Werden insgesamt vier Walzen in einem Walzgerüst eingebaut, spricht man von einer Quarto-Anordnung. Gerüste mit sechs Walzen können in vertikaler oder Sendzimir-Anordnung gebaut werden. In letzterer wird jede Arbeitswalze durch zwei Walzen gestützt, die in einem Winkel von etwa 120 Grad an der Arbeitswalze angreifen, um vertikales als auch horizontales Durchbiegen zu verringern. Zum Walzen von sehr dünnen oder sehr festen Materialien, werden Gerüste mit bis zu 20 Walzen benutzt.
Durch die Belastung biegen sich im Walzprozess die Walzen durch. Zur Herstellung vollkommen ebener Bandprodukte ist es notwendig, diese Walzendeformation exakt zu kompensieren. Hierfür werden Arbeitswalzenbiegung, Arbeitswalzenschliff und lokale Kühlung beziehungsweise Erwärmung gezielt eingestellt.
Ein spezielles Verfahren für Flachprodukte ist das Rundwalzen zur Herstellung gebogener Bleche. Dieses Verfahren wird häufig für den Behälterbau eingesetzt.
[Bearbeiten] Langprodukte
Langprodukte sind Draht, Stäbe, Rohre und Profile aus Stahl und Nichteisenmetallen. Sie werden durch Walzen zwischen zwei bis vier Walzen hergestellt, in die das Kaliber eingeschnitten ist.
[Bearbeiten] Flachprodukte
Als Flachprodukte (Warm- und Kaltband) werden diejenigen Walzerzeugnisse bezeichnet, deren Breite die Dicke (Höhe) um ein Vielfaches übertrifft. Sie stellen mengenmäßig den größten Anteil der weltweit benötigten Walzprodukte dar.
[Bearbeiten] Reckwalzen
Reckwalzen ist ein Profil-Längswalzen bei dem der austretende Querschnitt nicht konstant bleibt. Die Walzen sind so ausgebildet, dass sich der Profilquerschnitt in Umfangsrichtung ändert. Das Verfahren wird häufig angewendet, um für das Schmieden im Gesenk Zwischenformen mit günstiger Masseverteilung herzustellen.
[Bearbeiten] Querwalzen
Bei Querwalzen rotiert das Walzgut zwischen zwei oder mehr gleichsinnig umlaufenden Werkzeugwalzen um die eigene Achse. Durch Zustellung mindestens einer Werkzeugwalze wird das Werkstück umgeformt.
Herstellbar sind abgestufte, rotationssymmetrische Werkstücke (z. B. Achsen, Wellen, Getriebeschaltblöcke) sowie Vorformen mit optimaler Masseverteilung für anschließendes Gesenkschmieden (z. B. Hebel, Kurbeln, Pleuelstangen, Kugelgehäuse, Turbinenschaufeln). Die nachfolgende, spanende Formgebung entfällt meist vollständig oder wird aufgrund endformnaher Formgebung beträchtlich reduziert.
Charakteristische Merkmale des Querwalzens sind:
- hohe Form- und Maßgenauigkeit der Werkstücke
- höhere Stückfolge im Vergleich zu abtragenden Verfahren
- Wirtschaftlichkeit durch hohe Materialausnutzung und sehr hohe Mengenleistung
- Erhaltung der molekularen Kettenstruktur im Werkstück (ungestörter Faserverlauf)
- hohe Werkzeugstandzeiten, sehr niedriger Anteil der Werkzeugkosten an den Fertigungskosten
- Umweltfreundlich, da ohne Schmierung; geringe Lärmemission, Erschütterungen und Schwingungen
[Bearbeiten] Ringwalzen
Beim Ringwalzen werden nahtlose Ringe, beispielsweise Radreifen von Eisenbahnrädern, hergestellt. Ausgangsprodukt ist ein gestauchter und konzentrisch gelochter Vorring, der auf Ringwalzmaschinen aufgeweitet wird. Durch Reduktion der Wanddicke (radial) und der Ringhöhe (axial) nimmt der Ringdurchmesser gemäß der Volumenkonstanz zu.
[Bearbeiten] Schrägwalzen
Beim Schrägwalzen sind die Walzenachsen gekreuzt. Dadurch entsteht ein Längsvorschub in dem um seine Längsachse rotierenden Werkstück. Das Werkstück wird im Walzspalt durch Stützlineale oder Führungswalzen gehalten. Das Walzenkaliber ist so gestaltet, dass sich der Walzspalt verengt. Schrägwalzen wird als Verfahren zum Herstellen von Rohrluppen oder als Hochreduzierwalzwerk für Langprodukte angewendet.
[Bearbeiten] Rohre
Durch Walzen können nahtlose Rohre hergestellt werden. Dafür werden verschiedene Verfahren angewendet. Man muss drei prinzipielle Prozessschritte unterscheiden, das Lochen, das Elongieren (Strecken) und das Reduzieren (Fertigwalzen). Das Lochen erfolgt auf Schrägwalzwerken oder Lochpressen. Das Elongieren erfolgt in mehreren Schritten. Dazu können zum Beispiel Schrägwalzwerke und Längswalzwerke verwendet werden. Das Reduzieren auf den gewünschten Außendurchmesser ist der letzte Umformschritt.
Lochverfahren: Schrägwalzwerke zum Lochen:
- Das Mannesmann Schrägwalzen (Max und Reinhard Mannesmann 1885) verwendet zwei schräg zueinander angeordnete angetriebene Walzen und eine nicht angetriebene Stützrolle. Das Walzgut ist ein massiver runder Rohling (Knüppel genannt), der sich nach dem Anstich spiralförmig durch den Walzspalt bewegt. Durch das Friemeln (Wechsel zwischen Druck- und Zugspannungen) wird der Kern aufgelockert und dann über einen Dorn gewalzt. Unbedingt sollte aber ein inneres Aufreißen des Blockes vor der Dornspitze vermieden werden, da das Walzgut ansonsten Innenfehler aufweisen kann. Es entsteht ein Hohlblock (auch Rohrluppe genannt), also ein dickwandiges Rohr.
- Der Tonnenlocher ist eine durch Ralph Charles Stiefel weiterentwickelte Art des Mannesmann Schrägwalzwerks. Es besteht aus zwei Schrägwalzen, die doppeltkonisch kalibriert sind, und zwei Führungslinealen, die die Umformzone begrenzen. Der Wirkmechanismus ist der gleiche wie beim Mannesmann Schrägwalzwerk.
- Das Diescher Schrägwalzwerk ist ein veränderter Tonnenlocher. Samuel Diescher ersetzte die starren Führungslineale des Tonnenlochers durch rotierenden Führungsscheiben.
Elongierverfahren: Alle Elongierverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass ein bereits gelochter Einsatzblock nur in der Wanddicke verringert und gegebenenfalls im Durchmesser verändert wird. Schrägwalzverfahren zum Elongieren:
- Das Asselwalzverfahren ist ein Schrägwalzverfahren, das nach seinem Erfinder Walter J. Assel benannt wurde. Es ist ein Dreiwalzen-Schrägwalzverfahren, bei dem Walzen mit einer sogenannten Schulterkalibrierung zum Einsatz kommen. Beim Asselwalzverfahren wird die Wanddicke verringert und der Durchmesser verändert. Es besteht die Möglichkeit aufweitend, neutral und reduzierend zu walzen. Aufweitendes Walzen bedeutet, dass der Durchmesser des entstehenden Hohlblocks größer ist als der Durchmesser des Eingangsmaterials. Beim neutralen Walzen haben Eingangsmaterial und entstehender Hohlblock den gleichen Durchmesser, das heißt es wird nur die Wanddicke verringert. Beim reduzierenden Walzen ist der Hohlblockdurchmesser kleiner als der Durchmesser des Eingangsmaterials.
Längswalzverfahren zum Elongieren:
- Das Stoßbankverfahren verwendet als Ausgangsmaterial einen gelochten Knüppel mit Boden oder eine Rohrluppe mit einem angekümpelten Ende. In das Walzgut wird eine Dornstange eingeführt, mit der es dann durch mehrere hintereinander angeordnete nicht angetriebene Walzgerüste gestoßen wird. Dadurch wird die Wanddicke der Luppe verringert. Der Innendurchmesser wird von der Dornstange bestimmt. Die Dornstange wird durch ein kleines Schrägwalzwerk gelöst und kann anschließend gezogen und wieder in den Kreislauf eingebracht werden.
- Das Streckreduzieren verwendet eine Rohrluppe als Ausgangsmaterial, die dornlos in mehreren hintereinender liegenden Walzgerüsten gleichzeitig gewalzt wird. Die Wanddickenverringerung erfolgt durch Überlagern eines Längszugs. Da am Rohranfang der Längszug auf- und am Rohrende wieder abgebaut wird, ist die Wanddicke entlang der Rohrlänge nicht konstant. Die verdickten Enden müssen geschopft werden.
- Das Pilgerwalzen kann kalt oder warm ausgeführt werden. Durch Warmwalzen werden große nahtlose Rohre hergestellt und im Kaltwalzen werden die warmgewalzten Rohlinge fertig gewalzt. Das Walzgerüst besteht aus zwei Walzen, die sich entgegengesetzt der Walzrichtung drehen. In die Walzen ist ein Kaliber eingeschnitten, das so gestaltet ist, dass auf einer Hälfte des Walzenumfangs das Walzgut im Walzspalt bewegt werden kann und durch Weiterdrehen sich der Walzspalt immer weiter schließt. Zum Walzen wird ein Dorn in das Walzgut eingeführt, auf dem es gewalzt wird. Das Walzgut wird dann im Leerschritt in den Walzspalt eingeschoben und anschließend mit der Walzenumdrehung rückwärts bewegt. Im nächsten Leerschritt wird das Walzgut um 90 Grad gedreht und wieder ein Stück vorwärts in den Walzspalt geschoben. Der Prozess wiederholt sich zyklisch, bis das gesamte Rohr gewalzt ist. Der Name stammt von der typischen Vorschubbewegung, die einem Pilgerschritt gleicht.
[Bearbeiten] Sonderverfahren
- Das Pilgerschrittverfahren ist ein Verfahren zur Weiterbearbeitung von nahtlosen Rohren.
- Das Gießwalzen fasst das Urformen und die erste Stufe des Umformens in einem Prozessschritt zusammen. Dabei wird die Metallschmelze z.B. zwischen zwei innengekühlten Walzen erstarrt und zusammengedrückt, was Seigerungen verhindert.
- Das Gewindewalzen dient der Herstellung von Gewinden in größerer Stückzahl, beispielsweise für Schrauben.
- Das Walzprofilieren ist ein kontinuierliches Biegeverfahren, bei dem Blech schrittweise zum gewünschten Endquerschnitt umgeformt wird.
- Das Spaltprofilieren ist ein Verfahren zur Massivumformung von Blechen, mit dem Verzweigungen in Blechprofile eingebracht werden können.
- Durch Walzplattieren können Verbundwerkstoffe aus Metallen hergestellt werden, um etwa Aluminium mit einer niedriger schmelzenden Lotlegierung zu überziehen.
[Bearbeiten] Verwandte Themen
- Die Ballenbreite bezeichnet die nutzbare Breite einer Walze.
- Das Bandquerprofil eines gewalzten Bandes wird durch die Biegung der Walze beeinflusst.
- Walzhaut
- Abwalzgrad
[Bearbeiten] Literatur
- Hubert Hoff: Grundlagen des Walzverfahrens; Düsseldorf : Verlag Stahleisen, 1950
- Hubert Hoff: Walzen und Kalibrieren; Düsseldorf : Verlag Stahleisen, 1954
- Kopp, Wiegels: Einführung in die Umformtechnik. Verlag der Augustinus Buchhandlung, Aachen 1998, ISBN 3-86073-665-5 (hd) & ISBN 3-86073-666-3 (pb)
- Rolf Hinkfoth: Massivumformung: ausgewählte technologische Grundlagen der Umformprozesse in der Metallurgie. Wissenschaftsverlag, Mainz; Aachen 2003, ISBN 3-86130-184-9
- Britta Leise (Red.): Walzen: technik- und kulturgeschichtliche Aspekte in Geschichte und Gegenwart. In: Ferrum Nr. 79, Schlatt/Schweiz: Eisenbibliothek, Diessenhofen 2007
