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Walzen ist ein Fertigungsverfahren, aus der Gruppe des Druckumformens, bei dem der (meist metallische) Werkstoff zwischen zwei oder mehreren rotierenden Werkzeugen, umgeformt und dabei dessen Querschnitt verringert 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.
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.
Breit-/Flachprodukte
Als Flachprodukte (Flachstahl) sind Walzerzeugnisse bezeichnet, die wesentlich breiter als dick sind. Sie stellen mengenmäßig den größten Anteil der weltweit benötigten Walzprodukte dar und werden als aufgewickelte Bänder oder einzelne Bleche hergestellt.
Bleche und Bänder aus Stahl und Nichteisenmetallen werden durch Walzen zwischen zwei nahezu parallelen zylindrischen Walzen erzeugt. Durch die Belastung biegen sich die Walzen durch. Diese Walzendeformation muss zum Herstellen planer Erzeugnisse kompensiert werden. Dazu werden die Walzen üblicherweise leicht ballig geschliffen. Zum Beeinflussen der Balligkeit der eingebauten Walzen gibt es verschiedene Verfahren, u.a. axiales Verschieben speziell geschliffener Walzen, Kreuzen der Walzen, Biegen der Zapfen sowie hydraulische oder thermische Durchmesserveränderung.
Je dünner das Walzgut wird, desto dünner sollten die Arbeitswalzen sein. Deshalb werden in den meisten Walzwerken die Arbeitswalzen durch deutlich steifere Stützwalzen größeren Durchmessers unterstützt (siehe Bild).
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.
Walzenanordnungen
Im Laufe der technischen Entwicklung bzw. für spezielle Produkte wurden verschiedene Walzwerkstypen für das Längswalzen entwickelt, die bis heute im Einsatz sind.
Duo-Walzwerk
Ein Duo-Walzwerk besteht aus zwei parallelen Walzen, zwischen denen das Walzgut gewalzt wird. Zum Wiederholen des Walzvorganges zur weiteren Reduktion der Stärke des Walzgutes bzw. zum Weiterwalzen mit dem nächsten Kaliber muss man bei einem Duowalzwerk (engl. "Two-High Rolling Mill") entweder das Walzgut wieder auf die andere Seite des Gerüstes bringen oder die Drehrichtung der Walzen umkehren (reversieren). Ersteres wurde dadurch gelöst, dass man die horizontalen Walzentische, auf denen das Walzgut vor und hinter dem Walzspalt läuft, auf der Seite des Walzgerüstes anheben konnte (Fritz'scher Walztisch nach dem Erfinder George Fritz) und das Walzgut über die obere Walze auf die andere Seite zurückbeförderte, was die Walze durch Friktion unterstützte. Durch die Verbesserung der Getriebe gewann die Reversiermethode allerdings immer mehr Bedeutung, da das Anheben über die obere Walze als Leerzyklus immer mit einer Abkühlung des Walzgutes verbunden ist. Mit dem Aufkommen des elektrischen Antriebes wurde das Reversieren technisch nochmals einfacher und auch das Anordnen mehrerer Walzwerke hintereinander, das vorher durch die möglichst durchgängige Antriebswelle der Antriebs(dampf)maschine zu aufwändig war, konnte realisiert werden.
Trio-Walzwerk
Eine andere Methode, das Walzgut mit demselben Gerüst weiterzuwalzen, ohne überheben oder reversieren zu müssen, besteht in der Nutzung eines sogenannten Trio-Walzwerkes (engl. "Three-High Rolling Mill"). Bei der Trio-Anordnung mit drei Walzen wird das Walzgut z.B. erst zwischen der unteren und mittleren in die eine Richtung und dann zwischen mittlerer und oberer Walze in die andere Richtung gewalzt. Die Gestaltung der Kaliber für eine fortschreitende Profilierung des Walzgutes ist bei der Trio-Anordnung allerdings komplizierter. Weiterhin ist die mittlere Walze mechanisch besonders stark belastet, da sie bei beiden Walzzyklen benutzt wird, und muss daher verhältnismäßig häufig getauscht werden.
Universalwalzwerk
Im Jahr 1848 erfand Reiner Daelen ein Walzwerk, bei dem die zwei horizontalen Walzen eines Duo-Gerüsts durch zwei vertikale vor- oder nachgestellte Walzen ergänzt werden und durch die Verstellbarkeit des Walzspaltes unterschiedlichste rechteckige Profile ohne Walzenwechsel hergestellt werden konnten. Das Universalwalzwerk wurde erstmals bei Piepenstock & Co. in Hörde eingesetzt.
Quarto-, Sendzimir- und Cluster-Gerüste
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.
Reckwalzen
Reckwalzen ist ein Längswalzen bei dem die Querschnittsfläche von Rohteilen verändert wird, indem diese durch zwei gegenläufige Walzen geführt werden. Die einzelnen Segmente der Walzen sind so ausgelegt, dass sich der Profilquerschnitt der Rohteile in Umfangsrichtung ändert. Das Verfahren wird häufig angewendet, um Vorformen mit günstiger Massenverteilung für nachgelagerte Gesenkschmiedeprozesse zu erzeugen. Durch diese gezielte Massenverteilung können Materialeinsatz und Prozesskräfte beim Gesenkschmieden reduziert sowie die Oberflächenqualität der Bauteile erhöht werden. In der Regel kann jeder Werkstoff der geschmiedet werden kann auch durch Reckwalzen verarbeitet werden. Mittels Reckwalzen erzeugte Vorformen werden zum Gesenkschmieden von Bauteilen wie Kurbelwellen, Achsen und Lenkerbauteilen verwendet. Engste Fertigungstoleranzen sind durch Reckwalzen nicht zu realisieren, weshalb das Verfahren selten zur Fertigbearbeitung eingesetzt wird.
Weitere charakteristische Merkmale des Reckwalzens sind:
• hohe Produktivität und hohe Materialausnutzung
• gute Oberflächenqualität der gewalzten Bauteile
• lange Werkzeugstandzeit
• geringe Werkzeuggröße und -kosten
• verbesserte mechanische Eigenschaften durch günstigeren Faserverlauf als bei ausschließlich geschmiedeten Bauteilen
Querwalzen
Das Querwalzen, auch Querkeilwalzen genannt, ist die Umformung eines rotationssymmetrischen Rohlings zwischen zwei sich gegenläufig bewegenden Flachbacken oder Rundwalzen. Es lässt sich unterscheiden in Rundquerwalzen und Flachbackenquerwalzen. Querwalzen wird primär zur Herstellung großer Stückzahlen eingesetzt. Durch Querwalzen kann eine Materialausnutzung von bis zu 100 Prozent erreicht werden und damit eine nahezu gratlose Massivumformung, welche vor allem für Langteile oder Mehrfachteile ideal geeignet ist. Mittels Querwalzen können rotationssymmetische Bauteile mit Massenanhäufungen entlang der Rotationsachse realisiert werden .
Rundquerwalzen
Bei Rundquerwalzen 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 Rundquerwalzens 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
Flachbackenquerwalzen
Beim Flachbackenquerwalzen wird das Walzgut zwischen zwei gegeneinander horizontal oder vertikal laufenden Werkzeugplatten umgeformt. Die flache Bauform der Werkzeuge ist durch den konstruktiv und fertigungstechnisch simpleren Aufbau im Gegensatz zu einer gekrümmten Walze gekennzeichnet, weist aber die gleichen Auslegungsparameter auf.
Das Flachbackenquerkeilwalzen wurde für die Vorformung beim Halbwarmschmieden von asymmetrischen Langteilen (hier: Querlenker) untersucht. Halbwarm wurden bis dato solche Teile nur geschmiedet. Dieses führte früher allerdings zu einem relativ hohen Gratanteil (19,8 % der Rohteilmasse). Durch das Querkeilwalzen wurde der Gratanteil verringert (7,48 %). Es konnte gezeigt werden, dass geometrisch relativ einfache Vorformen durch halbwarmes Querkeilwalzen herstellbar sind. Die Kräfte beim Walzen waren bei einer Rohteiltemperatur von 850 °C 2,5 mal höher als bei 1.250 °C; dadurch erhöht sich der Energiebedarf der Walzanlage. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass die Energieeinsparung durch die geringere Temperatur allerdings 10 % höher war und das Verfahren damit insgesamt energieeffizienter ist.
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.
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. Das Schrägwalzen findet vor allem bei Herstellungen von Röhren (Stahlrohren) statt.
Quelle: Wikipedia