Ringwalzen

Charakterisierung Ringwalzen

Ringwalzen - ein Umformverfahren zur Herstellung von nahtlosen Ringen

Das Ringwalzen ist ein Umformverfahren zur Herstellung von Ringen. Üblicherweise wird ein gestauchter und gelochter Ring als Ausgangsprodukt verwendet, um ihn dann mit einer Ringwalzmaschine aufzuweiten und ggf. zu profilieren. Dazu werden zwei oder mehrere rotierende Werkzeuge (Walzen) eingesetzt. Durch die Verringerung der Wandstärke und der Ringhöhe wächst der Ringdurchmesser unter Beibehaltung eines konstanten Volumens. Profilierte Walzen ermöglichen die Herstellung endkonturnaher Ringquerschnitte. Mit Hilfe von Ringwalzverfahren können nahtlose Ringe mit einem Durchmesser von zehn Zentimetern bis zu zehn Metern hergestellt werden. Stärker verbreitet ist das Warmringwalzen, aber auch Kaltwalzverfahren kommen seit den 1980er Jahren zum Einsatz (z. B. für Wälzlager- und Getrieberinge).

Der mehrstufige Ringwalzprozess beginnt üblicherweise mit einem Stauchprozess (Quelle: Brück)
Radreifenproduktion im Bochumer Verein (Quelle: Rainer Halama)

Produkte und Zielbranchen

Typische Ringwalzprodukte

Gewalzte Ringe finden Verwendung in Lagern, Drehkränzen, Turbinenscheiben oder in Zahnradrohlingen. Räderwalzmaschinen produzieren Vollräder und Radscheiben für Hochgeschwindigkeitszüge, Lokomotiven, Eisenbahnwaggons, Straßen- und U-Bahnen. Kegel- und Achsantriebsräder für die Automobilindustrie, Getriebebau, Turbinenbau (z. B. Turbinenscheiben in Flugzeugtriebwerken), Flansche im Maschinen- und Anlagenbau, Ringe für Turmflansche (Offshore-Windkraftanlagen) und Wälzlagerbau (Kaltwalzen) sind weitere Beispiele für die vielfältigen Einsatzfelder für Ringwalzprodukte.

Branchen

Zu den wichtigsten Zielbranchen gehören

der Fahrzeugbau / Automotive
das Transportwesen
die Luft- und Raumfahrt
der Anlagen- und Maschinenbau
sowie die Offshore- und die Energietechnik.

Walzen eines Eisenbahnrades auf einer Schuler Radwalzanlage (Quelle: Schuler)
Vielfalt gewalzter Ringe

Trends und Entwicklungen

Wohin geht die Entwicklung beim Ringwalzen?

Sich ständig erweiternde Produktpaletten mit neuen, immer größer werdenden Bauteilgeometrien, stetig komplexer werdenden Querschnittsgeometrien profilierter Ringe und teuren Hochleistungswerkstoffen sind der Grund dafür, dass über Jahrzehnte gewachsenes Erfahrungswissen der prozessplanenden Ringwalzspezialisten heute nicht mehr ausreicht, um das Zusammenwirken zwischen den verschiedenen Prozessparametern und dem Werkstück in einem Walzprozess mit der gewünschten Präzision vorherzusagen. Heute verwenden die Spezialisten daher Simulationssoftware, die den Ringwalzprozess virtuell abbildet. Die Simulationssoftware lässt Aussagen zu Materialverformung und -eigenschaften zu, hilft dabei, teure Fehlwalzungen zu vermeiden und zeigt Ansätze zur Optimierung der Prozesse auf. Der Ringwalzprozess kann durch den Einsatz der Prozesssimulation in die Nähe der Serienreife gebracht werden. So wird nicht nur die Anzahl kostspieliger und zeitlich aufwändiger Probewalzungen deutlich verringert; auch die Entwicklung neuer Prozesse, für die noch keine Erfahrungswerte vorliegen, wird überhaupt erst wirtschaftlich darstellbar.

Zahnkranz für ein Differenzialgetriebe (Real)
Zahnkranz für ein Differenzialgetriebe (Simulation)

3D-Simulation von Ringwalzprozessen

Komplexe Massivumformprozesse wie das Ringwalzen müssen dreidimensional betrachtet werden; zugleich beeinflusst die Temperaturentwicklung im Ring insbesondere bei Hochleistungswerkstoffen den Prozess und die finalen Werkstoffeigenschaften ganz wesentlich – beides Faktoren, die höchste Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware stellen. Ebenso will der Einsatz unterschiedlicher Materialien und Werkstoffe berücksichtigt werden. Für die Simulation der Ringwalzprozesse stützt sich Simufact unter anderem auf eine besonders realitätstreue elasto-plastische Werkstoffmodellierung, mit denen der Werkstofffluss beim Walzen unter Berücksichtigung der Eigenspannungen und der kleinen jedoch durch die inkrementelle Umformung sehr häufigen Rückfederung berechnet wird. Auch die Reibung zwischen dem Werkstück und geschleppten oder angetriebenen Walzen wird mit einer einmalig hohen Genauigkeit abgebildet, die die Genauigkeit des simulierten Werkstoffflusses nochmal anhebt. Darüber hinaus können sogar Walzen- und Walzgerüstelastizitäten – mit nur sehr kleinem Modellierungsaufwand - realitätsnah berücksichtigt werden.

Typische Aufgabenstellungen beim Ringwalzen

Die Kunst des Ringwalzens

Stauchen eines großen Rohblocks in einer Ringwalzanlage (Quelle: Brück)

Bei der Auslegung von Ringwalzprozessen sind die Vorringgeometrie und die Walzstrategie (d. h. die Vorschübe und Drehzahlen der einzelnen Walzen, die Vorform des Rings) so aufeinander abzustimmen, dass die geforderte Endkontur möglichst optimal erreicht wird (vergleiche Stefan Puller, Universität Hannover 2003). Das Walzen von profilierten Ringen stellt zusätzlich die Herausforderung, eine vollständige und faltenfreie Profilfüllung bei gleichzeitig korrektem Durchmesser und Wandstärke zu erreichen.

Hochleistungswerkstoffe wie Titan- und Nickelbasislegierungen können zudem nur in einem engen Temperaturbereich erfolgreich gewalzt werden.

Was sind Ihre Ziele? Sie wollen ...

... höchste geometrische Präzision erreichen?
... den Werkstoff- / Materialeinsatz verringern?
... "Temperaturfenster" für die erfolgreiche Umformung einhalten?
... Walzfehler wie Unrundheit, Höhenschlag, Faltenbildung, Risse, Fischmaulbildung, Gratbildung sowie unvollständiges Füllen des Profils vermeiden?
... instabile Prozesse vermeiden?
... die Leistungsgrenzen Ihrer Ringwalzanlage einhalten?

Typische Walzfehler in der Praxis simuliert

Walzfehler Gratbildung
Walzfehler Faltenbildung (Schnitt)
Simulierter Walzfehler: die Falte passt exakt zum Experiment
Walzfehler Fischmaulbildung

Alle Walzfehler wurden simuliert mit Simufact Forming.

Literatur- und Videotipps

Video: Ringwalzen

Um einen Eindruck zu gewinnen, wie ein Ringwalzprozess aussehen kann, schauen Sie sich das YouTube-Video mit dem Titel 'Ring Roll Forging' von Forging Industry Association (FIA) an:

Zum Video

Glühende Ringe – Das Ringwalzen als wichtiges Verfahren der Massivumformung

(Info-Reihe Massivumformung, Ausgabe 41, Industrieverband Massivumformung)

Zum PDF-Download

Unsere Softwarelösung für das Ringwalzen

Das Modul Ringwalzen in Simufact Forming

Das Anwendungsmodul Simufact Forming Ringwalzen dient der Simulation von Ringwalzprozessen.

Ob Ringwalzen, Ringaufweitung, Axialwalzen oder Radwalzen, ob profilierte Ringe oder Ringe mit Rechteckquerschnitten: Mit Simufact Forming können Sie beliebige Ringwalzprozesse in allen Abmessungen und für die gesamte Bandbreite an Ringprodukten simulieren. Die Software unterstützt sowohl Kalt- als auch Warmwalzprozesse. Dabei stellt das Anwendungsmodul anhand des Ringwachstums geregelte Kinematiken bereit.

Nutzen Sie die Vorteile von Simufact Forming für Ihre Ringwalzprozesse:

kürzere Entwicklungszeiten
umfassendes Prozessverständnis
höhere Prozessstabilität und -qualität
Vorhersage der Bauteileigenschaften
höhere Maschinennutzung, - Kostenersparnis
Erweiterung der Produktpalette
optimale Abstimmung der einzelnen Prozessschritte
weniger Ausschuss
Vermeidung von Rissen

Für eine funktionale Betrachtung von Simufact Forming Ringwalzen, lesen Sie hierzu unsere Produktbeschreibung:

Simufact Forming Ringwalzen