EUROPA-FACHBUCHREIHE für Metallberufe METALLBAUTECHNIK Fachbildung nach Lernfeldern 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage Bearbeitet von Lehrern an beruflichen Schulen und Ingenieuren Leiter des Arbeitskreises: Gerhard Lämmlin VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten Europa-Nr.: 11311
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METALLBAUTECHNIK - Europa-Lehrmittel€¦ · Autoren Ignatowitz, Eckhard Dr. Ing., Studienrat Waldbronn Kluge, Manfred Dipl.-Ing., Oberstudiendirektor Schorndorf Lämmlin, Gerhard
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EUROPA-FACHBUCHREIHE
für Metallberufe
METALLBAUTECHNIKFachbildung nach Lernfeldern
8. neubearbeitete und erweiterte Auflage
Bearbeitet vonLehrern an beruflichen Schulen und Ingenieuren
Leiter des Arbeitskreises: Gerhard Lämmlin
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 11311
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Lektor und Leiter des Arbeitskreises:Gerhard Lämmlin
Autoren und Lektor danken Herrn Erwin Aldinger für die Mitarbeit an der 1. und 2., Herrn Michael Gress-mann für die Mitarbeit an der 3. Auflage sowie Herrn Baumann für die Mitarbeit bis zur 4. Auflage undFrau Jaschinski bis zur 7. Auflage dieses Buches. Ein besonderer Dank gilt Herrn Steinmüller für die Lei-tung des Arbeitskreises bis zur 4. Auflage.
Bildentwürfe und Fotos:
Die Autoren sowie Leihgaben von Firmen und Autoren anderer Werke (s. Anhang).
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Korrektur von Druckfehlernunverändert sind.
Diesem Buch wurden die aktuellen Ausgaben der Normen nach DIN, EN und ISO und der VDI/VDE-Richtlinien zu-grunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und die VDI/VDE-Richtlinien selbst.
Verlag für die Normen: Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin.
Verlag für die VDE-Bestimmungen: VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin
ISBN 978-3-8085-1220-3
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
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3
VorwortDas vorliegende Buch umfasst alle wesentlichenUnterrichtsinhalte für Konstruktionsmechanikerund Metallbauer sowie größtenteils auch für Anla-genmechaniker. Dabei wurden diejenigen Fach-richtungen besonders berücksichtigt, die von derüberwiegenden Zahl der Auszubildenden gewähltwerden.
Ab der 5. Auflage wurden die Lerninhalte konse-quent den Lernfeldern des Rahmenlehrplanes fürMetallbauer zugeordnet. Auf eine sachlogischeStrukturierung wurde dennoch größter Wert gelegt. Mit der vorliegenden 8. Auflagewurde denzwischenzeitlich erfolgten, umfangreichen Än-derungen im Normenwerk Rechnung getragen.Das Buch ist somit eine umfassende Quelle füralle in der Ausbildung vorkommenden Inhalte undThemen. Die berufliche Praxis der meisten Auszu-bildenden, für die dieses Lehrbuch bestimmt ist,kommt in den umfangreichen Kapiteln überStahlbau, Treppen, Geländer, Schlösser, Fassadensowie Fenster, Türen und Tore zum Ausdruck.
Einen bedeutenden Raum nehmen darüber hi-naus die Grundlagenthemen der Werkstoffkundeund des Fügens ein, sodass dieses Buch auch un-abhängig von den Lehrbüchern des ersten Berufs-schuljahres verwendet werden kann.
In erster Linie soll dieses Lehrbuch dem Unterrichtin der Berufsschule dienen, jedoch wurde bei allendafür geeigneten Themen großer Wert auf dieVerbindung zur praktischen Erfahrung des Auszu-bildenden im Betrieb gelegt. Durch die vertiefteDarstellung vieler Fachstufenthemen ist es da-neben zur Verwendung in Meister- und Techniker-schulen geeignet. Bauingenieuren und Architek-ten kann es als eine leicht verständliche Ein-führung in die Theorie und Praxis der Metall- undStahlbautechnik von Nutzen sein.
Am Ende jeder größeren thematischen Einheitbefinden sich Wiederholungs- und Verständnis-fragen sowie am Ende der Lernfeldabschnitte umfassende Arbeitsaufträge. In der vorliegenden8. Auflage wurden die Kapitel „Umformen” und„Stoffschlüssige Verbindungen” überarbeitet so-wie alle Kapitel an veränderte Normen angepasst.Dort, wo es notwendig und sinnvoll ist, findet derLernende Arbeitsregeln und Hinweise zum Schutz vor Unfällen. Über 1.600 Bilder und Ta-bellen unterstützen die Aussagen der Texte.
Die Autoren und der Verlag sind jedem Leserdankbar, der mit Fehlerhinweisen und Verbesse-rungsvorschlägen zur Weiterentwicklung diesesBuches beigetragen hat und bitten auch für dieZukunft um ihre kritische Anteilnahme an derVerbesserung dieses Lehrbuchs an:
6 electrical machines and devices 1136.1 electric circuit 1136.2 electromagnetism 1146.3 electric motors 118
7 NC technology in metal construction 123
7.1 work flow in NC technology 1237.2 design of NC machines 1247.3 design characteristics of NC
machines 1267.4 controller types 1287.5 coordinate systems 1287.6 program structure 1297.7 manual programming 1327.8 machine-aided programming 1367.9 using NC technology in metal
construction 137
learning field: dismantling and assemblingstructural modules in the shop
8 lifting and moving loads 1518.1 basic physics 1518.2 hoists 1548.3 industrial trucks 1598.4 fastening loads 1598.5 safety at work and protection
against accidents 164
9 mounting of structural components 165
9.1 mounting with masonry anchors 1659.2 mounting with studs 1669.3 mounting with dowels 167
10 assembly, disassembly and disposal 177
10.1 shop assembly 17710.2 disassembly 18710.3 avoidance, recycling and disposal
of waste 187
learning field: making of steel and metalstructures
11 safety on site 19111.1 personal protective equipment 19111.2 scaffoldings and ladders 19311.3 antifall roping 195
12 surveying on site 19712.1 alignment stage 19712.2 length measurement 19812.3 angular measurement 19912.4 determining building heights 19912.5 determining finishing and
completion heights 200
13 structural steelwork and roof structures 201
13.1 structural steelwork classification 20113.2 constructional elements 20313.3 types of stress acting in structural
components 20513.4 piers 20713.5 girders 21413.6 girder connection 22913.7 bracing and guy ropes 23813.8 industrial steel buildings 24113.9 space-enclosing structural
elements 247
learning field: making of doors, gates and fences
14 doors 25914.1 revolving folding-door structure 25914.2 door types and features 26114.3 doors with specific functions 26614.4 door materials 27014.5 door closer 27114.6 door fittings 27314.7 placing and assembly 274
16 locks 28716.1 types of locks 28716.2 design and operating mode 28816.3 standard dimensions of locks 28916.4 door lock safety catch 29016.5 master-keyed systems 301
22 stairs 38522.1 types of stairs 38522.2 construction types of stairs 38722.3 tread types 38822.4 stairway terminology 38922.5 main dimensions of stairs 39022.6 sample design of a stairway 39122.7 turning the steps of a spiral
stairway 39522.8 marking-out of stringers 39822.9 computer calculation 398
23 balustrades 40323.1 balustrade design 40323.2 balustrades in and at residential
learning field: maintenance of structural metal and steel systems
24 quality management 41124.1 tasks of quality management 41124.2 quality management according to
DIN EN ISO 9000:2005 41424.3 quality management system
model 41524.4 quality assurance is not only a
matter for the boss! 416
25 maintenance 41725.1 basic terms 41725.2 maintenance of structural systems
in metal and steel construction 425
interdisciplinary knowledge
26 materials science 43526.1 general survey of materials 43526.2 choice of materials depending
on their properties 43626.3 steel and cast iron 43826.4 inner structure of metals 45926.5 heat treatment of steel 46426.6 aluminium and aluminium alloys 47026.7 copper and copper alloys 47326.8 other important metals 47626.9 sintered materials 47826.10 corrosion and corrosion
protection 48026.11 plastics 49026.12 composite materials 49726.13 process materials 49926.14 glass and glass components 50126.15 material testing 50326.16 environmental and health
protection 508
27 communication and presentation 51327.1 communication 51327.2 presentation 519
subject index 523further reading 542image references 543
Kurz-Inhaltsverzeichnis englisch
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Die Fertigungsverfahren des Umformens werden häufig zu-sammen mit dem Zerteilen „spanlose Formgebung“ ge-nannt, weil bei ihnen keine Späne abfallen.
Lernfelder: Herstellen von Blechteilen, Umformteilen und Konstruktionen ausProfilen
1 Umformen
Umformen ist Fertigen durch bildsames (plastisches)Ändern der Form eines festen Körpers.!
1.1 Einteilung der Umformverfahren
1.2 Schmieden
1.2.1 Technologische Grundlagen
hochfester Stahl
gut verformbarer Stahl
Al-LegierungZerstörungs-bereich
Kupfer
ReH
Rm
plastische Bereiche
Sp
ann
un
g j
Dehnung e
Elastischer BereichHooksche Gerade
1 Spannung-Dehnung-Diagramme metal-lischer Werkstoffe mit ausgeprägtemelastischem und plastischem Bereich
Biegeumformenz.B. Gesenkbiegen
Zugumformenz.B. Tiefen
Druckumformenz.B. Schmieden
Zugdruckumformenz.B. Tiefziehen
Hammerbär
Amboss
Werkstückhalter
Biege-gesenk
Schubumformenz.B. Verdrehen
2 Einteilung der Umformverfahren in fünfGruppen
Hammer
gleichmäßige(mittlere) Verformung
geringe(gehemmte) Verformung
starke Verformung(und Bewegung)
Amboss
1
3
2
3
3
22 1
3 Unterschiedliche Beanspruchungen imInnern eines Werkstücks beim Schmie-den
11
Beim Schmieden wird das in der Regel erwärmte Werkstückauf Druck beansprucht, wodurch Querschnittsveränderun-gen ohne Materialverlust entstehen. Die auftretenden Druck-bzw. Schubspannungen im Werkstück bewirken ein langsa-mes Fließen der Stoffteilchen parallel zueinander. Dabei istan den Rändern die Verformung nicht so stark wie im Inne-ren des Werckstücks (Bild 3). Gleichzeitig wird der Werkstoffauch durchgeknetet und verdichtet, wodurch sich die Festig-keit erhöht.
Mit steigender Temperatur verändert sich die Plastizität derWerkstoffe, weshalb man zwischen Kaltumformen undWarmumformen unterscheidet. Nach der geometrischenForm des Werkstücks wird in Massivumformen und Ble-chumformen unterteilt.Die genormte Einteilung der Fertigungsverfahren des Um-formens unterscheidet nach der im Werkstückquerschnittauftretenden Spannung fünf Gruppen (Bild 2).
Schmieden ist eine spanlose Formänderung meist erwärmtermetallischer Werkstücke durch Druckumformen zwischen zweiWerkzeugen.
Bei den Umformverfahren wird die Formänderung durchäußere Kräfte oder Momente bewirkt. Spannt man z. B. ei-nen Blechstreifen in den Schraubstock und biegt ihn etwas,so federt er nach Entlastung zurück. Mit größerer Kraft kannman ihn bleibend verformen. Durch häufiges Hin- und Her-biegen wird der Zusammenhalt an der Biegestelle zerstört.Das erinnert an den Zugversuch bei der Werkstoffprüfung (Bild 1). Auch hier kann man den Bereich der elastischenDehnung von dem der plastischen Dehnung unterscheiden.Erhöht man die Spannung im plastischen Bereich über dieZugfestigkeit hinaus, wird der Zusammenhalt der Werkstoff-teilchen zerstört. Deshalb darf beim Umformen eine be-stimmte Spannung nicht überschritten werden.Als Werkstoffe zum Umformen verwendet man Metalle, de-ren Verformungswiderstand verhältnismäßig niedrig ist. Derplastische Bereich muss ausreichend groß sein (Bild 1). Dassind verschiedene Stähle sowie Kupfer, Aluminium, Zink undihre Legierungen (z. B. Titanzinkblech, s. S. 476).
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Schmiedbarkeit der WerkstoffeFast alle Metalle und Metalllegierungen lassen sichschmieden. Werkstoffe mit großer Festigkeit müs-sen zur Verbesserung der Bildsamkeit auf einehöhere Temperatur gebracht werden. Besondersgut sind die geeignet, die zwischen der festen undder flüssigen Phase einen großen plastischen Be-reich besitzen. Sie haben oft ein kubisch-flächenzen-triertes Kristallgitter (S. 460). Es ermöglicht ein be-sonders gutes Gleiten der Kristalle des Werkstoffsaneinander. Neben Stahl gilt das für Kupfer und Al-uminium. Den stärksten Einfluss auf die Schmied-barkeit von Stahl hat der Kohlenstoffgehalt (Bild 1).
1600°C
1400
1200
1000
800
6000 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0%
a-Mischkristalle + Perlit
Rekristallisationstemperatur Zementit + Perlit
Mischkristalle+ Zementit
g-Mischkristalle(Austenit)
Schmelze + Mischkristalle
Schmiedeanfangstemperatur
Schmiedeendtemperatur
Schmelze
Kohlenstoffgehalt
Tem
per
atu
r
SchmiedbarerBereich
v1 Abhängigkeit des Schmiedebereichs bei unlegier-tem Stahl vom Kohlenstoffgehalt, dargestellt imEisen-Kohlenstoff-Diagramm
ungeordnetes Gefügevor dem Walzen
gerichtetes Gefügenach dem Walzen
2 Entstehung einer Faserstruktur im Gefüge von vor-gewalztem Stabstahl und Knüppeln
a)
b)
ø
Werkstoffeinsparung:a) Herstellung durch Drehen und Fräsenb) Herstellung durch Schmieden (Stauchen)
ø
2 Späne
3 Werkstoff-fasern
1 Bolzenkopf
4 Bolzenschaft
13 24gebohrt
gelocht
3 Vergleich des Walzfaserverlaufs von geschmiede-ten und spanend hergestellten Werkstücken
Schmiedetemperaturen und Glühfarben
Werkstoff
Baustahl Fe 360 B
unlegierter Werkzeugstahl
Schnellarbeitsstahl
Messing, Kupfer, Bronze
Aluminium
dunkelrot 650 °Ckirschrot 750 °Chellkirschrot 800 °Chellrot 850 °C
gelbrot 900 °Cdunkelgelb 1050 °Chellgelb 1150 °Cweißgelb 1300 °C
Anfangs-temperatur
1250 °C
1000 °C
1150 °C
700 °C
500 °C
End-temperatur
780 °C
800 °C
900 °C
500 °C
300 °C
Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt dieHärte zu, die Dehnbarkeit ab und damit wirdder Stahl schlechter schmiedbar.
!
Je geringer der Kohlenstoffgehalt einesStahls ist, desto höher kann die Schmiedean-fangstemperatur sein und desto größer ist derTemperaturbereich des Schmiedens.
!
Beim Erwärmen von Stahl lassen sich die Tempe-raturstufen ziemlich genau an den Glühfarben er-kennen (nebenstehende Tabelle und Bild 1).
Vorteile des SchmiedensKleine und mittelgroße Schmiedeteile werden ausgewalztem Material hergestellt. Es besitzt eine fa-serähnliche Gefügestruktur (Textur), wodurch dieFestigkeit gegenüber dem Gussgefüge erhöhtwird (Bild 2). Beim Schmieden bleibt diese Faser-struktur grundsätzlich erhalten, das Gefüge wirdgleichmäßig feinkörnig und dadurch noch fester.Bei spanenden Verfahren wird durch die Formge-bung dieser Faserverlauf unterbrochen und dieFestigkeit verringert (Bild 3).
Außerdem erhalten die Werkstücke beim Schmie-den annähernd ihre Fertigform, wodurch im Ver-gleich zum Spanen eine Werkstoffersparnis er-reicht wird.
SchmiedetemperaturDie Schmiedbarkeit nimmt mit steigender Tempe-ratur zu. Sie liegt für Stahl innerhalb des Tempera-turbereichs, in welchem das Gefüge sein Gittervon kubisch-raumzentriert in kubisch-flächenzen-triert gewandelt hat. Beim Stahl hängt dies nebendem Kohlenstoffanteil auch von den anderen Le-gierungsbestandteilen ab.
Der Schmiedevorgang beginnt bei der Schmiede-anfangstemperatur (Tabelle). Die niedrigste mög-liche Schmiedetemperatur, die Schmiedeendtem-peratur, liegt etwas oberhalb der Rekristallisati-onstemperatur. Dort bilden sich wie bei der Wär-mebehandlung (s. S. 464 ff.) die durch Kaltverfor-mung verspannten Kristalle eines Werkstoffs neu.
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Der beim Erwärmen des Werkstücks im Feuer ent-stehende Abbrand (Zunder) vermindert das Volu-men des Werkstücks.n Ab 300 °C entsteht eine dünne Anlaufschicht.n Zwischen 500 °C und 700 °C bildet sich einedicke, feste Korrosionsschicht, die Zunderschicht(Hammerschlag). Sie bleibt bis 900 °C fest.
n Von 900 °C ... 1000 °C fällt die Zunderschicht abund entsteht sofort wieder neu.
n Ab ungefähr 1200 °C verbrennt der Stahl.n Beim Überhitzen oder zu langem Erwärmen desStahls vergröbert sich das Gefüge.
Maschinen zum SchmiedenSchmiedepressen oder Maschinenhämmer (Bild 2)ersetzen die Muskelkraft. Der Hammer wird hierBär genannt. Seine Masse beginnt bei ca. 30 kg.Die Kraft des Bären entsteht durch die Fallbe-schleunigung. Zusätzliche Kräfte auf den Bärenwerden durch pneumatische und für besondersleistungsfähige Maschinen durch hydraulische Sy-steme aufgebracht. Dadurch kann die erforderlicheSchlagkraft sowie die Hubzahl genau eingestelltwerden. Beim Lufthammer wird der Kolben desVerdichters durch einen Motor über einen Kurbel-trieb auf und ab bewegt (Bild 3). Dabei wird der Bärgehoben oder die Luft verdichtet. Durch Wegeven-tile wird die Bewegung des Bären gesteuert.
Rauchabzug-gebläse
Rauchfang
Feuerschüssel
Gebläse zur Luftzuführung
Löschtrog
1 Doppel-Schmiedeherd
2 Luft-Schmiedehammer
KurbeltriebAmboss
Bär
Arbeits-zylinder
SteuerventileVerdichter-zylinder
3 Prinzipdarstellung eines Lufthammers
Das Erwärmen des kohlenstoffhaltigen Stahlsführt zur Verzunderung der Oberfläche.!
Schmiedestücke müssen langsam und gleich-mäßig erwärmt und gegebenfalls auch so ab-gekühlt werden.
!
Erwärmung der SchmiedestückeBeim Erwärmen dehnt sich der Werkstoff aus undmit steigender Temperatur verringern sich die Zu-sammenhaltskräfte der Stoffteilchen, das Materialwird bildsam (plastisch). Eine „Wärme” (gele-gendlich auch „Hitze” genannt) ist die zugeführteEnergiemenge, die bis zur nächsten Erwärmungdie Schmiedbarkeit gewährleistet.
Dünne Bereiche von Schmiedestücken werdenschneller warm als dicke. Bei massiven Teilen be-steht die Gefahr, dass die Randzonen schon er-wärmt sind, während der Kern noch kalt ist. Zustarke Temperaturunterschiede zwischen den Tei-len eines Schmiedestücks sind zu vermeiden, umSpannungsrisse zu verhindern.
Der Schmiedeherd mit offenem Feuer ist die ein-fachste Möglichkeit, Werkstücke auf Schmiede-temperatur zu bringen (Bild 1). Verbrannt werdenSchmiedekohle, Koks und in besonderen Fällenauch Holzkohle. Oft werden auch gasbefeuerteund damit temperaturgeregelte Öfen genutzt.
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2 Profilwalzen fürangeschmiedeteStabenden
3 angeschmiedeteStabenden und ge-prägte Oberflächen
14
Neben den Umformverfahren benutzt derSchmied auch solche, die zu anderen Hauptgrup-pen der Fertigungsverfahren gehören (z. B. Ab-schroten zum „Trennen” oder Feuerschweißenzum „Verbinden”).Die Vielseitigkeit der Formen beim Freiform-schmieden im Vergleich zum Gesenkschmiedenbedingt, dass eine scharfe Trennung der einzelnenVerfahren während der Fertigung eines Werk-stücks nicht sinnvoll ist.Grundsätzlich bestimmt die Hammerführung unddie verwendete Seite des Hammerkopfes die Wir-kung. Die Eindringtiefe der Hammerbahn ist ge-ring. Die Aufschlagkraft des Hammers verteilt sichals Druck auf die gesamte getroffene Fläche. Esentsteht Flächenpressung und der Werkstoff fließtgleichmäßig nach allen Seiten (Bild 4).Beim Schlag mit der Hammerfinne sind dieFlächenpressung und die Eindringtiefe größer.Der Werkstoff fließt vorwiegend nach zwei Seiten(Bild 4). Werden die Schläge aneinander gereiht,vergrößert sich die Länge des Werkstücks.Beim Strecken eines Werkstücks wird vor allemdie Länge vergrößert und die Höhe verringert. Ne-ben der Hammerfinne können auch die Amboss-kante und der Kehlhammer zum Strecken benutztwerden (Bild 5).
BreitenDer Werkstoff wird quer zur Richtung der Walzfa-ser vorangetrieben, die Höhe des Werkstücksnimmt ab (Bild 6).
SpitzenDer Querschnitt verringert sich gleichmäßig vonallen Seiten bis zu einer Spitze (Bild 1 auf S. 15).
AbsetzenBeim Absetzen wird ein Teil der Oberfläche herun-tergeschmiedet, sodass am Werkstück ein Absatzentsteht. Vor dem Absetzen wird die Übergangs-stelle eingekehlt (Bild 2 auf S. 15).
StauchenBeim Stauchen eines Werkstücks wird der Quer-schnitt vergrößert und die Länge verringert. Häu-fig werden Wülste angestaucht (Bild 4, Seite 15).Gestaucht werden größere Werkstücke auf demStauchamboss, der etwas tiefer liegt als die Am-bossbahn. Aus Sicherheitsgründen steht dann derSchmied so, dass sich der Amboss zwischen ihmund dem Stauchamboss befindet. Seitlich stehtder Zuschläger.
Zuschlaghammer
Streck-richtung
Kehl-hammer
5 Strecken 6 Breiten
1.2.2 Schmiedeverfahren
Kunstschmiedemaschinen und Profilwalzen (Bild1 und 2) dienen zum Fertigen bestimmter Formen,wie z. B. Oberflächenstrukturen oder Stabenden(Bild 3).
1 Schmiedegerät für Stabenden
Amboss
FH
Hammer
Bahn
GegenkraftFA Amboss GegenkraftFA
FH
Hammer
Finne
4 Wirkung von Hammerbahn und -finne
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15
KehlenDamit werden Kerben und rinnenartige Vertiefun-gen im Werkstück hergestellt. Es kann entwedereinseitig mit dem Kehlhammer alleine oder zwei-seitig mit einem zusätzlichen Kehlschrot gearbei-tet werden. Beim Kunstschmieden dient Kehlenauch dem Verzieren (Bild 4).
AbschrotenDieses Schmiedeverfahren wird zum Abtrennenvon Teilen des Werkstücks angewandt. Nebendem Schrothammer wird der in den Amboss ein-steckbare Abschrot verwendet (Bild 5). Beim ein-schneidigen Abschroten von kleinen Teilen wirdnur eines dieser Werkzeuge benutzt.
SpaltenHiermit trennt man Schmiedestücke vom Endeher in Längsrichtung auf. Bei Kunstschmiedear-beiten wird häufig gespalten. Auch Widerhakenan Mauerankern werden durch Spalten geformt.Als Werkzeug dient der Schlitzhammer, der auchbeim Schlitzen (Bild 7 b) verwendet wird.
LochenDadurch werden beliebig geformte Durchbrüche,meist runde Löcher, in Schmiedestücke einge-formt. Als Werkzeuge dienen Lochhämmer undDorne mit verschieden geformten Querschnitten(Bild 7). Vorgearbeitet wird mit dem Schlitzham-mer. Das Fertiglochen mit dem Dorn geschiehthäufig auf der Lochplatte.
TorsierenEs ist die am meisten verbreitete Methode zur Ver-zierung von Stäben (Bild 8). Zum Verdrehen vonStäben um ihre Längsachse müssen diese in er-wärmtem Zustand an einem Ende eingespanntwerden. Als Werkzeuge zum Verdrehen dienenDreh- oder Torsiereisen.
FeuerschweißenZuerst müssen möglichst große Flächen an derVerbindungsstelle geschaffen werden. Dann wer-den die Teile auf eine Temperatur knapp unterhalbdes Schmelzpunktes erwärmt, mit Flussmittel(Sand) von Oxiden befreit und durch Hammer-schläge zusammengepresst. Dadurch ver-schweißen die Teile miteinander.
Handhammer
1 Spitzen
Handhammer
2 Absetzen
Stauch-amboss
kalt
erwärmt
3 Stauchen
Kehlhammer
Kehlschrot
4 Kehlen
Schrothammer
Abschrot
5 Abschroten
Zuschlaghammer
Schlitzhammer
weicheUnterlage(Baustahl)
6 Spalten
8 Torsieren
d
Zuschlag-hammer
Loch-hammer
d
a a+
s
Dorn
Schlitz-hammer
kalt
erwärmt
d2d2
b
d1
a
s
1,3db
c
erwärmt
7 Lochen mit Dorn und Schlitzhammer a) Körnen undStauchen, b) Schlitzen, c) Vorlochen und Stauchen,d) Fertiglochen
Zirbel durch a) Schlitzen b) Verdrehen c) Stauchen
Verdrehen
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Gesenkschmieden
Gesenkschmieden ist ein Verfahren derindustriellen Massenfertigung. BeimSchmieden von Hand in der Werkstattgibt es nur wenige Hilfsgesenke mit ent-sprechenden Hämmern, in denen einfa-che Formen schneller und genauer ge-schmiedet werden können als durch dasauf den vorigen Seiten beschriebene Frei-formschmieden (Bilder 1 und 2).
21
1 Einrollen eines Gelenkau-ges für ein Torband imGesenk
a) Vorschmieden
b) Fertig- schmieden
2 Schmieden eines Rund-zapfens im Gesenk
Gesenk-löcher fürHilfswerk-zeuge
RundhornAmboss-bahn
Vierkant-horn
Unterlage Stauchamboss
3 Amboss
Horn Schroter
Setz-unterlage
Biege-gesenk
Sperrhorn
4 Hilfswerkzeuge zum Amboss
28 26 24 22 20
7 Schmiedelehre und Taster
Flachzange Rundmaulzange
Klauenzange Wolfsmaulzange
Spannring
6 Zangen (kleine Auswahl)
Flach-hammer
Ball-hammer
Setz-hammer
Vierkant-hammer
5 Schmiedehämmer (kleine Auswahl)
Beim Gesenkschmieden ist die Formder Fertigteile negativ in den Werk-zeugen enthalten. Der Werkstoff kannsich nur innerhalb der Wirkflächenbewegen.
!
1.2.3 Werkzeuge zum SchmiedenDer Amboss verfügt durch seine großeMasse über eine hohe Trägheit, d. h. ernimmt die Hammerschläge auf, ohne sichzu bewegen. Er übt somit die Gegenkraftaus. Die Ambossbahn ist gehärtet und mitdem Ambosskörper verbunden (Bild 3).Die Löcher auf der Bahn dienen der Auf-nahme von Hilfswerkzeugen (Bild 4).Schmiedehämmer haben eine leicht ge-wölbte Bahn und eine abgerundete Finne.Handhämmer werden einhändig geführt.Ihre Masse beträgt 1 kg bis 2 kg (Bild 5).Zuschlaghämmer werden beidhändig ge-führt. Sie haben die Masse von 3 kg bis 15 kg. Ihre Form entspricht dem Handham-mer oder wird als Kreuzschlaghammer(Finne in Stielrichtung) gestaltet. Hilfshäm-mer (Bild 6, Seite 15) werden vom „Vor-schmied“ gehalten und vom „Zuschläger“vorgetrieben. Ihre Stiele sitzen lose, umPrellschläge zu vermeiden.Kleine Schmiedestücke lassen sich nurmit Zangen sicher halten. Deshalb mussfür die verschiedenen Formen der Werk-stücke die geeignete Zange vorhandensein (Bild 6). Um die Hand nicht zu ermü-den, kann ein Spannring über die Schen-kel der Zange geschoben werden.Zum Werkzeug des Schmiedens gehörtauch ein geschmiedeter Schraubstock,der stabiler ist als der gegossene des Me-chanikers.Ein spezielles Prüfmittel ist die Schmiede-lehre (Bild 7). Da die erforderliche Genau-igkeit beim Freiformschmieden von Handgering ist, genügt für andere Längen-maße die Übertragung durch den Tasteroder ein Stahl-Bandmaß.
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2 Industrielle Schmiedeteile
3 Bogen mit Geschäftshinweis
1. Den Rohling anreißen, vorschroten und spalten
2. Ausschmieden
3. Das Band auf dem Ambosshorn und mit der Ziehgabel biegen
4. Das Auge einrollen, die Kanten mit der Feile putzen, abhämmern und glätten
1 Schmieden eines Zierbandes
1.2.4 Kunstschmieden und Gestaltung
Metallgestaltung ist das Verarbeiten von Stahlund anderen schmiedbaren Metallen durchMetallbauer und Schmiede unter hauptsächlichkünstlerisch-gestalterischen Gesichtspunkten.
!
Die bei der Metallgestaltung gewählten For-men gehören zum künstlerischen Stil be-stimmter Epochen und sollten zum Bauwerkpassen.
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An vielen historischen Erzeugnissen des Schmiede-handwerks ist erkennbar, dass bei ihrer Gestaltungnicht nur der Gesichtspunkt der Zweckmäßigkeitentscheidend war. Oft wird auch ein ästhetischerGestaltungswille deutlich, in dem der vom jeweili-gen Stil der Zeit geprägte Sinn für Schönheit zumAusdruck kommt. Neben rein technisch-funktionalbestimmten Werkstücken, wie z. B. Mauerankern,oder Torbeschlägen, muss der Metallbauer häufigauch Arbeiten ausführen, die neben der Beherr-schung der traditionellen Schmiedetechnik ein ge-wisses Gestaltungsvermögen voraussetzen.
Dazu gehört z. B. die Fertigung von Gittern, Gelän-dern und Toren, aber auch die Anfertigung von Grab-zeichen, Beschlägen und verschiedenen Geräten.Sollen diese Arbeiten vom Entwurf bis zur Aufstel-lung individuell und nur in Handarbeit ausgeführtwerden, wie es dem traditionellen Selbstverständ-nis der Kunstschmiede entspricht, so erfordertdies viel Zeit und die Stücke werden sehr teuer.Sie erfüllen dann meistens repräsentative Funktio-nen oder entstehen bei der Wiederherstellung his-torischer Gebäude oder Anlagen (Bild 1).Um die Wünsche nach künstlerischer Ausgestal-tung von z. B. Geländern in Wohnhäusern zu er-schwinglichen Preisen zu erfüllen, bieten Industrie-betriebe eine große Auswahl von Einzelteilen undganzen Baugruppen an. Sie sehen wie traditionelleKunst-Schmiedearbeiten aus, werden aber maschi-nell gefertigt und können vom Metallbauer mit ein-fachen Techniken montiert werden (Bild 2). Auchhier sollte sich die Auswahl der Elemente am Stilder Gesamtanlage orientieren. Selbst die Einzelar-beit eines Kunstschmieds ist als Kundenwunsch ab-gestimmt (Bild 3). Ein Auftrag ohne gestalterischeVorgaben, eine sogenannte „freie Arbeit” wie z. B.die Fertigung eines Grabkreuzes, muss im Ergebnisebenso in das Gesamtbild passen.
Einflüsse auf die Gestaltung haben außerdem:l die Umgebung, deren Teil das Schmiedestück ist;l der mögliche finanzielle und zeitliche Aufwand;l die Fähigkeiten des Schmiedes, seine Arbeits-verfahren und Einrichtungen;
l die Bau- und Sicherheitsvorschriften.
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GestaltungselementeEinzelne Bauteile an Gittern und ähnlichenSchmiedeerzeugnissen kehren immer wieder undprägen damit das Gesamtbild der Anlage.Bunde waren ursprünglich reine Befestigungsele-mente, dienen jetzt aber meist zur Zierde. Bund-profile werden aus Flach- oder Rundstahl in Ge-senken geschmiedet. Mithilfe des Bundschließerswerden sie nach erfolgter Montage der Gitter-stäbe dauerhaft geschlossen (Bild 1).Rosetten dienen zur Bildung von ornamental auf-gelockerten Flächen. Kennzeichnend ist ein Zier-niet in der Mitte. Durch Kehlen, Stauchen undHämmern wird die Fläche gestaltet (Bild 2).Stabkreuzungen stabilisieren das Gitter, könnenihm aber gleichzeitig eine stilistische Ausprägunggeben (z. B. symmetrisch oder asymmetrisch). DieStäbe können übereinanderlaufen oder werdendurchgesteckt wie in dem Bild 3.Stabenden werden besonders bei Zäunen genutzt,um die Oberkante zu betonen, aber auch, um unbe-fugtes Übersteigen zu erschweren (Bild 3).
StilepochenDie charakteristischen Gestaltungselemente dereinzelnen Stilepochen sind vor allem bei Restaurie-rungsarbeiten zu beachten. Die mittelalterlichenStile Romanik (1000-1250) und Gotik (1200-1500)greifen vielfach auf Naturformen zurück (Bild 4).Der Renaissancestil (1500-1650) greift antike For-men auf, während der Barock (1650-1750) und dasRokoko (1725-1780) üppiges bzw. verschnörkeltesRankenwerk vorziehen (Bild 5). Der Klassizismus(1779-1850) lehnt an den griechischen Tempelbauan (Bild 6). Der Historismus (1850-1900) ist ein„Best of” vergangener Stile und wurde vom Ju-gendstil (um 1900) mit seinen gebogenen Linienabgelöst (Bild 7). In der Moderne (seit 1900) gibt eskeinen einheitlichen Stil mehr. Von der freien Ge-staltung bis zu streng geometrischen Formenreicht die Skala der Möglichkeiten (Bild 8).
1 Beschreiben Sie die Eigenschaft Schmiedbar-keit.
2 Welche Metalle sind gut schmiedbar und warum?3 Warum ist ein großer Abstand zwischen An-
fangs- und Endtemperatur beim Schmieden vor-teilhaft?
4 Warum ist Gusseisen nicht schmiedbar?5 Beschreiben Sie vier Schmiedeverfahren und die
dazugehörigen Werkzeuge.6 Unterscheiden Sie die Arbeit eines Schmiedes
von der eines Metallbauers bei der Fertigung ei-nes Gitters.
7 Erläutern Sie anhand der Stabenden von Bild 3die erkennbaren Arbeitstechniken und ihre Ab-folge.
Überprüfen Sie Ihre Kenntnisse
r
a
b
1 Bundschließer und Bund
3 Stabkreuzungenund -enden2 Beispiele für Rosetten
8 Gitter in moderner Gestaltung
4 Gotisches Gitter 5 BarockesSchmuckgitter
6 Klassizismus-Gitter 7 Jugendstil-Gitter
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a) verbeult b) windschief
Hammerschläge spiralartignach außen
Streckschläge längsder kurzen Diagonale
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Das Beispiel des Gerade-Richtens eines verbogenen T-Stahlsdurch Strecken zeigt, dass infolge der Verformung die Werk-stofffasern an der konvexen Seite gestreckt, die auf der kon-kaven Seite gestaucht worden sind (Bild 2). Deshalb musshier durch sorgfältig geführte Hammerschläge mit der Finneder Werkstoff auf der konkaven Seite gestreckt werden, bisdie Krümmung beseitigt ist und der Profilstahl wieder seineordnungsgemäße gerade Form erhalten hat.Beim Flachstahl dagegen geschieht das Richten durchSchläge mit der Bahn des Hammers auf die konvex gewölbteSeite, die zur Streckung der gegenüberliegenden konkavenSeite führt (Bild 3).Das Richten stärkerer Stäbe oder Profile kann auch durch denDruck der Biegebeilagen im Schraubstock geschehen. Auchverbogene dünnere Rohre lassen sich im Schraubstock ge-rade biegen (Bild 4 a). Verzogene Stahlstäbe müssen vorhernoch mithilfe einer Ziehgabel oder größerer Werkzeuge ge-dreht werden (Bild 4 b).Richten von Blech, auch Spannen genannt, kann in der Werk-statt auf der Richtplatte durch gezieltes örtliches Streckenund Stauchen erfolgen (Bild 1).
1 Spannen von Blech
Richtplatte
konvex – nachaußen gebogen
konkav – nachinnen gebogen
2 Richten eines verbogenen Winkel-profils durch Strecken
Richtplatte
Stauchen
Strecken
3 Richten von verbogenem Flachstahl
a)
b)
Biegebeilagen
Ziehgabel
4 Richten im Schraubstock
5 Richtmaschine mit Richtbalken
1.3 Richten
Richten ist das Beseitigen unerwünschter Verformun-gen, die durch mechanische Beanspruchungen oderWärmeeinwirkung an Halbzeugen oder Bauteilen ent-standen sind.
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Das Kaltrichten erfolgt ohne Erwärmung mithilfe äuße-rer Kräfte.!
1.3.1 Kaltrichten
Die Voraussetzung für den Zusammenbau von Einzelteilen zuBaugruppen ist in der Regel, dass sie gerade und eben sind.Nur so können sie an den Verbindungsstellen passgenau undfest aneinander gefügt werden.Halbzeuge wie Rohre, Bleche oder Profilstähle sind oft verzo-gen, gewellt oder ausgebeult. Ursache der Verformung sind dieungleichmäßige Abkühlung nach dem Warmwalzen oder einunsachgemäßer Transport. Auch die Schweißspannungen beifertigen Werkstücken bewirken bleibende Verformungen. Vorder Weiterverarbeitung oder dem Zusammenbau müssenFlächen und Kanten wieder gerade und eben gerichtet werden.
Der Richteffekt entsteht durch das Strecken kurzer sowie dasStauchen langer Partien. Voraussetzung für den Einsatz die-ses Verfahrens ist die Zugänglichkeit an der zu richtendenStelle sowie die Eignung des Werkstoffes.
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Richten mit Maschinen ist bei größeren Abmessungen derWerkstücke nötig. Stäbe, Profile, Träger und auch Rohrewerden auf speziellen Pressen meist hydraulisch über dieVerformungsrichtung hinaus gebogen (Bild 5 der vorheri-gen Seite). Größere und dickere Bleche oder Stäbe werdendurch Walzen auf Rollenrichtmaschinen in den planen Zu-stand zurückversetzt (Bild 1).
Metalle dehnen sich beim Erwärmen aus. Werden die Wär-medehnung und die anschließende Schrumpfung beimAbkühlen gezielt behindert, entstehen Schrumpfspannun-gen, die das Teil in gewünschter Weise verziehen können.
Aus der Wärmelehre ist bekannt, dass jedes Metall eine be-stimmte Wärmeausdehnungszahl besitzt. 1 m unlegierteroder nichtrostender ferritischer Stahl dehnt sich je GradTemperaturerhöhung um 0,012 mm aus, nichtrostender aus-tenitischer Stahl dehnt sich sogar 1,5 mal so stark aus. BeiBehinderung dieser Ausdehnung entstehen beträchtlicheKräfte, die das Bauteil verziehen oder auch stauchen können,wie folgender Versuch zeigt (Bild 2). Ein Stahlstab wird zwi-schen zwei Schraubstockbacken fest eingespannt und dannin der Mitte auf 700 °C erwärmt. Da die Wärmeausdehnungdurch die Schraubstockbacken behindert wird, staucht sichder Stab. Lässt man ihn anschließend abkühlen, zieht er sichzusammen und fällt aus dem Schraubstock heraus.Der in diesem Versuch beobachtete Effekt ist auch dieGrundlage des Flammrichtens (Bild 3). Verbogene Profilewerden durch das Setzen eines oder mehrerer Wärmekeilegerade gerichtet. Die Basis des dreieckigen Keils muss ander äußeren, langen Seite der stärksten Krümmung, alsoaußerhalb der Neutralen Faser, liegen. Begonnen wird mitder Erwärmung an der Spitze. Während der Erwärmungführt die Ausdehnung des Metalls zuerst zu einer nochstärkeren Krümmung des Profils. Ist der Werkstoff inner-halb des Keils teigig geworden, staucht die im Werkstückentstandene Spannung das stark erwärmte Gebiet zusam-men. Nach der einsetzenden Abkühlung und Verfestigungdes Werkstoffs im Keil zieht dieser sich zusammen und ver-kürzt die lange Seite des Werkstücks. Die Größe und An-zahl der Wärmekeile wird so gewählt, dass die Krümmunggerade beseitigt wird. Diese Regeln sollten beachtet werden:l Nichtrostenden Stahl vorher entfetten, Brenner mitleichtem O2-Überschuss gegen Aufkohlung einstellen;
l Flammrichtfigur mit Kreide anzeichnen;l Behinderung der Wärmeausdehnung durch Festspan-nen mit Zwingen oder schweren Gewichten;
l Brennergröße: 2,5 bis 3 mal Blechdicke, Cr-Ni-Stahletwa eine Größe kleiner, Aluminium eine Größe mehrals bei unlegiertem Stahl wählen;
l Nichtrostende Rohre innen mit H2 formieren;l feuerverzinkten Stahl mit Flussmittel FH 10 abdeckenund höchstens auf 700 °C erwärmen;
1 Doppelrichtapparat mit einzeln anstell-baren Richtrollen
stark erwärmteStelle
bleibendeVerformungnach Ab-kühlung
Ausgangs-länge
2 Versuch zur Wärmedehnung
Verhältnis Keillängezur Breite 3:1
a) Erwärmung
b) Abkühlung
Druck nachaußen
Zug voninnen
3 Richten eines verbogenen Winkelstahlsmit einem Wärmekeil
kälter,ablöschen ergibt„Einspannung”
Wärmekeil =Schrumpfungs-zone
Pendelbewegungdes Schweiß-brenners
neutrale Faser
4 Setzen eines Wärmekeils
Beim Warmrichten werden durch örtliche ErwärmungSchrumpfspannungen erzeugt, um ein Bauteil zu richten.!
1.3.2 Warmrichten
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