Schmieden, Gießen und CNC-Fräsen
Dieser Artikel befasst sich mit den Unterschieden zwischen Schmieden und CNC-Fräsen und beleuchtet sowohl die Vor- und Nachteile. Anders als es die Artikelüberschrift suggeriert, wird der Prozess des Gießens nur am Rande erwähnt. Warum der Artikel nicht einfach "Schmieden und CNC-Fräsen" heißt, ist ein Rätsel, das Sheldon Brown nicht aufgelöst hat.
Schmieden
Um etwas zu Schmieden erstellt man zuerst eine Form aus sehr gutem Stahl. Man steckt nun eine Platte des Metallstücks, das man schmieden möchte, zwischen die beiden Hälften der Form und drückt nun die beiden Hälften der Form sehr KRÄFTIG zusammen. Zumeist wird das in Pressen gemacht, die einen Druck von mehreren zehn oder hunderten Tonnen aufbringen können. Die beiden Teile der Form heißen Gesenke, normalerweise ist eines fest montiert und das andere beweglich.
Das Metall fließt wie Zahnpasta und wenn man die Form öffnet, hat man das Teil. Ein wenig Veredeln und gewünschte Teil ist gebrauchsfertig. Das ist ein recht teurer Vorgang. Die Formen herzustellen kostet eine Menge und die Presse an sich ist zwar einfach aber das enorme Gewicht macht es teuer. Wenn man jedoch eine große Menge Teile herstellt , wird es wieder günstig. Das zu formende Metall kann entweder kühl (maximal 1/3 der Temperatur seines Schmelzpunkts oder sehr heiß - knapp unter dem Schmelzpunkt - sein. Wenn man Eisen formen möchte, muss das Metall sehr heiß gemacht werden.
Andere oft verwendete Prozesse sind Gießen (flüssiges Metall in eine Form schütten) und CNC-Fräsen (Computer Numeric Control).
Das widerstandsfähigste Ergebnis erhält man normalerweise durch Schmieden. Wenn Metall abkühlt, bilden sich Gefüge, die stark sind aber nicht perfekt zusammen"kleben". Daher können gegossene Stücke leichter brechen. Wenn man sich die Bruchstelle anschaut, sieht man eine zerfurchte matte Oberfläche, die zwischen den einzelnen Gefügen auseinander gebrochen ist. Sie zeigt schlechte Duktilität (Dehnfestigkeit).
Wenn man ein Stück Metall schmiedet, kollabieren die individuellen Gefüge. Das Ergebnis ist ein wenig dichter und wird eher verbiegen als brechen. Das Ergebnis ist ein ganzes Stück widerstandsfähiger als ein Guss oder ein aus einem Stück Metall gefrästes Bauteil. Dabei ist gerade die Oberfläche, weil sie den meisten Druck erhalten hat, die stärkste Stelle. Je weniger Störungen diese Oberfläche aufweist, desto widerstandsfähiger ist das Bauteil. Ein Bruch zeigt eine glänzende Fläche, weil die Spalten zwischen den Gefügen weg sind. Die Fließrichtung des Metalls durch den Druck des Schmiedens zeigt ähnliche Strukturen wie Holz, so dass es an spezifischen Stellen widerstandsfähiger ist. Gut konzipierte Gesenke geben Kontrolle über diesen Fluss und können so Bauteile an den am meisten belasteten Stellen widerstandsfähiger gestalten.
CNC Fräsen
CNC Fräsen startet mit einem Rohling, der ein Stück Vollmetall ist. Dieses Stück Metall wurde entweder gegossen, geschmiedet oder gewälzt (zwischen zwei Walzen gepresst, was eine Art limitiertes Schmieden darstellt, weil man hier nur Platten mit Gefügen wie bei einer Tafel herstellen kann).
Der Rohling wird in eine ziemlich normale Fräsmaschine eingespannt, die Positionssensoren und Positionierungsmotoren hat, die sich über Kontrollknöpfe bedienen lassen. Jedoch ist der Dreher/Maschinist hier ein Roboter. Ein drehendes Schneidwerkzeug, nimmt alles weg, was nicht zur Kurbel gehört. Das ganze funktioniert wie dreidimensionales Malen nach Zahlen mit guter Interpolation, so dass die Kanten recht geschmeidig werden.
Der Nachteil des CNC-Fräsens
Es gibt einige nachteilige Aspekte. Zuallererst wird eine Menge Metall verschwendet. Was entfernt wird, sind nur noch Metallspäne die an den Schrotthändler verkauft werden können. Im Vergleich dazu fällt beim Schmieden so gut wie kein Abfall an bis auf ein wenig Grate, die zwischen den Gesenken entstehen. Der CNC Prozess kann sehr zeitaufwändig sein, weil man nur wenige Kubikzentimeter Material pro Minute entfernen kann. Das hat im wesentlichen mit der Problematik zu schaffen, dass es schwierig ist, dass der Fräskopf und das Material nicht überhitzen und evtl. zu schmelzen beginnen. Ein Bauteil, dass so langgestreckt ist wie eine Kurbel, kann durchaus 10 Minuten benötigen. Eine Schmiedepresse benötigt dafür nur wenige Sekunden und kann in einem Arbeitsschritt sogar mehrere Bauteile gleichzeitig fertigstellen.
CNC Fräsen sind komplizierte Maschinen, die mit Servomechanik und Messinstrumenten vollgestopft ist. Eine CNC Fräse hat mindestens sechs Motoren (inklusive des Antriebs und Pumpen für Öl und andere Kühlflüssigkeiten). Laufzeitkosten von 1 €/Minute oder mehr sind üblich. Dabei sind die Computer nicht einmal der Löwenanteil bei den Kosten.
Zuguterletzt bleibt das Problem der Widerstandsfähigkeit. Wenn man Metall nur fräst, erhält man nicht die eng gepresste Oberfläche eine geschmiedeten Bauteils. Im schlimmsten Fall können innen liegende Kanten mit scharfen Anschlüssen über bleiben. Das sind Zonen mit erhöhter Belastung, an denen leicht Risse entstehen können. Insbesondere Aluminium ist anfällig dafür und Titan ist sogar noch empfindlicher.
Vorteile des CNC-Fräsens
You can't use an acute inside angle on a forging, you would never be able to get the part out of the mold. So all inside corners must be wider than 90 degrees, and have radiused edges (if you had a die (mold) that tried to form a sharp corner, it would cut rather than push the metal into place.
CNC doesn't impose such restrictions, though to get nicely radiused corners, you might have to change tools, to make the last pass. (you use a flat tool to get rid of the bulk of the metal over the flat areas, and use a round nosed tool to form the inside radius where needed.) So eliminating stress risers means more expensive machining time.
Warum CNC?
So why CNC at all? Well its good at making small numbers of compicated shapes. In fact, they are just the thing to make the molds (called tools and dies) to do your forging in. (As a result, CNC technology has in fact lowered the "tooling" costs associated with forging!) It got its biggest boost from the missle folks. If you only plan to build 30 of something, CNC is just the thing for parts with a complicated shape, like that landing gear strut on that fighter.
The peace dividend left a bunch of shops with excess CNC capacity. Since the cost of the machine "just sitting idle" can easily be over half what it costs running full out on a billable job, it was find something for it to do, or the bank may be calling the auctioneer. They cast around for things that would get some money in to make the lease payments. Boutique bike parts and other things, where "rocket science" adds enough marketing appeal to overcome CNC's inefficencies, were something these shops latched onto. (for others, take a look at golf clubs or mototcycle and car hop up parts)
A press, while big and heavy is a very simple "low tech" machine, that has very low maintence requirements. For the most part, they are too stupid to break. The most complicated part of a press are the sensors that make sure that the operator's body is out of the way before it starts moving. It's either a single motor connected to a pump, and a big hydraulic piston, or a "drop forge", a big lump of metal, with a mechanisim that picks it up, and drops it. (CLANG!!!!!). No fancy measuring gear. No computer, unless they have a robot next to it to load and unload the finished parts.
Warum Schmieden?
CNC is a good compliment to forging. There are a lot of shapes that forging can't produce. Internal threads, for instance. So you might take your raw forged crank blank out of the press, then put it in a CNC machine to tap the holes for the pedals, crank puller and chainring bolts. Sure, if you were producing them in the millions, you would just set up a simple machine that could only drill and tap crank holes.
If you know that you will be making 50,000 a year, and its always going to be 5 holes in a 110 mm circle, you program the CNC to make a fixture that holds the 5 drill bits in that circle, and has them turn in unison. Add another bit in the middle geared down to cut the puller threads, and # 7 to thread the pedal hole. Its faster than the computer (which will do one or at most two holes at a time, and will spend time moving the part to the place for the next hole.) and a whole lot cheaper to run. Neither takes any skill on the operators part, and there may indeed be a pick and place machine that specializes in stacking parts. It isn't perfect, it can only do that one job. Want to change bolt circles? You have to make a new machine. It might be worth it to make it changable so it can do 170's and 175's, it might be better to just make two different machines.
[Actually, I think they generally use the same forgings/castings for all crank lengths, just cut them down at different place, except, perhaps for super-top-of-the-line models.]
Quelle
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Forging, Casting and CNC Machining von der Website Sheldon Browns. Originalautoren des Artikels sind Sheldon Brown und Jeff del Papa.
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