Metal Finishing News, September 2005
DISA zählt zu den weltweit führenden Anbietern von Anlagen zum Kugelstrahlen. MFN hatte die Gelegnheit, technische und verfahrensspezifische Aspekte mit Hubert Prokopp, Geschäftsführer DISA Hagen und Dr. Harald Reinach, Technischer Direktor in Schaffhausen zu diskutieren. MFN-Fragen und Antworten der beiden für Engineering sowie für Forschung und Entwicklung zuständigen Herren sind im Rahmen des folgenden Interviews enthalten.
MFN: Ihr Unternehmen, DISA, ist seit Jahrzehnten im Bereich der Strahltechnik tätig. Diese findet in Giessereien im Bereich der mechanischen Entzunderung, aber auch beim Verfestigungsstrahlen Anwendung. Sprechen wir hier über etablierte Technologie oder über ein Verfahren, das sich erst noch durchsetzen muss?
Hubert Prokopp: Eigentlich über beides, aber lassen Sie mich etwas ausholen: „Glas, Steine, Metalle und andere harte Materialien mittels eines Sandstrahls, der von Pressluft verschiedener Dichte vorwärts getrieben wird, zu ritzen oder zu mattieren“, dies war der Anspruch eines 1871 von Benjamin Tilghman angemeldeten Schutzrechtes, auf dem die gesamte Entwicklung der Strahltechnik beruht.
Die Weiterentwicklung und Perfektionierung des Schleuderstrahlens ist das Verfestigungsstrahlen (Shot-Peening). Es ist ein Kaltumformungsverfahren, mit dem Druckeigenspannungen in die Oberflächen-Randzone der zu bearbeitenden Werkstücke eingebracht werden. Shot-Peening ersetzt aufwändige, kostenintensive Prozesse und verringert die Materialkosten. Es erlaubt, Bauteile leichter zu konstruieren und diese kosten- / nutzen orientiert bis an die Grenzen ihrer Kennwerte auszulasten.
MFN: Beim Verfestigungsstrahlen kommen heute verschiedene Arbeitsprinzipien zur Anwendung, so Druckluftstrahlen mittels Düsenmethode und Stahlen mit Schleuderrädern. Haben beide Methoden ihre Berechtigung oder wird die eine oder andere Technologie überflüssig?
Harald Reinach: Beim Druckluftstrahlen werden Stahlkugeln oder Keramikstrahlmittel mittels Druckluft beschleunigt und über Düsen gezielt auf das Bauteil gelenkt. Das Strahlmittel wird bis auf 220 m/s beschleunigt. Um einen optimalen Überdeckungsgrad zu erzielen, werden die Düsen stationär, interpolierend oder oszillierend gesteuert. Das Düsenstrahlen wird für Komponenten eingesetzt, die punktgenau und mit einer hohen Energieleistung gestrahlt werden müssen. Eine maximale Reproduzierbarkeit aller Strahlparameter wie Strahldruck, Strahlzeit, Auftreffwinkel ist zwingend und möglich.
Durch den Einsatz moderner Schleuderstrahlanlagen kann der Durchsatz an Strahlmittel, d.h. behandelte Fläche / Zeit deutlich gesteigert werden. Die Energieleistung Düsenstrahlen zum Schleuderstrahlen ist ca. 1:10, oder anders gesagt: Durch Schleuderstrahlen können die Behandlungskosten entscheidend reduziert werden. Allerdings muss die Prozess-Sicherheit gewährleistet sein. Man könnte so den Schluss ziehen Düsenstrahlen wo nötig, Schleuderstrahlen wo möglich.
Hubert Prokopp: Schleuderstrahlen wird heute vorwiegend zur Behandlung grösserer Serien von hoch- und wechselbeanspruchter Komponenten eingesetzt. Klassische Einsatzfelder sind der Fahrzeugbau (Automobilindustrie, Schienenfahrzeuge), die Maschinenindustrie oder vom Teilespektrum her gesehen Federn aller Art, Achsen, Zahnräder, Kurbelwellen, Pleuelstangen, Nockenwellen. Auch Werkzeuge für die Bergbauindustrie, Stabilisatoren usw. werden mit Schleuderradtechnologie kugelgestrahlt.
Ein weiterer Prozess ist das sogenannte Stress-Peening, d.h. Kugelstrahlen unter Vorspannung. Bei Teilen, die nur in einer Richtung belastet werden und für die eine höhere Dauerfestigkeit verlangt wird als sie mit konventionellem Kugelstrahlen erreicht werden kann, wird das Stress-Peening-Verfahren eingesetzt, wobei die Teile im vorgespannten oder gedehnten Zustand verfestigt werden. Dabei wird eine noch höhere Druckeigenspannung erzeugt als beim konventionellen Kugelstrahlen und zwar bis an die Druckspannungs-Fließgrenze des Materials. Durch Stress-Peening erzielt man Gewichtsein-sparungen und Lebensdauersteigerungen. Eine zusätzliche Formgebung ist möglich.
MFN: Sie haben über die positiven Auswirkungen des Verfestigungsstrahlens gesprochen. Können Sie dies konkretisieren?
Hubert Prokopp: Die effektiv erzielten Verbesserungen hängen selbstverständlich stark von der einzelnen Anwendung ab. Als Richtwerte, beispielsweise für die Lebensdauersteigerung könnte man angeben:
| Torsionsstäbe |
140 – 600 % |
| Zahnräder |
> 1000 % |
| Schweißnähte |
200 % |
| Schraubenfedern |
bis > 1000% |
Steigerung der Schwingfestigkeit von Federn im Bereich von 20 bis 100 %. Aber es können auch andere Aspekte, z. B. ein gewichtslimitiertes Teiledesign im Vordergrund stehen.
MFN: Welche Bedingungen muss technologisch einwandfreies Kugelstrahlen erfüllen?
Harald Reinach: Zur Erhöhung der Dauerfestigkeit und zur Vermeidung von Spannungsriss-korrosion ist es unumgänglich, dass die kritischen Flächen vollständig kugelgestrahlt werden, d.h. mindestens vollständige Deckung erzielt wird. Der vollständige Deckungsgrad wird definiert als die gleichmäßige und vollständige Grübchenbildung oder Auslösung der ursprünglichen Oberfläche der zu strahlenden Teile. Die Überwachung erfolgt visuell unter Verwendung eines 10-fachen Vergrößerungsglases oder einer Flüssigkeit, die durch Streichen, Sprühen oder Tauchen aufgebracht wird.
Beim Trocknen bildet diese Flüssigkeit eine elastische Beschichtung, die nur durch Zerbrechen von der Oberfläche abgelöst werden kann. Mit Hilfe von UV-Licht überprüft man, ob alle zu strahlenden Flächen mit dem Film überzogen sind. Dann werden die Probeteile unter den Kugelstrahlbedingungen mit der erforderlichen Intensität und Überdeckung kugelgestrahlt. Unter UV-Licht wird dann nochmals geprüft, ob der Film vollständig entfernt worden ist. Eine vollständige Überdeckung ist gekennzeichnet durch vollständige Entfernung des Films beim Strahlen. Flächen, die nicht vollständig überdeckt wurden, weisen unter UV-Licht eine gelb-grün fluoreszierende Farbe auf. Dieses Verfahren ist durch die US-Military-Specification MIL-S-13165-8 genehmigt worden.
Hubert Prokopp: Ein gebräuchliches Maß für die Verfestigung ist der sogenannte Almenwert bzw. der Almentest. Hiebei wird ein egalisiertes Federstahlplättchen eine Zeit lang einseitig dem Schleudertstrahl ausgesetzt. Das Maß der Durchbiegung des Plättchens, das über eine Messuhr ermittelt wird, ist der Almenwert. Nun ist es aber falsch, anzunehmen, dass ein möglichst hoher Almenwert auch identisch ist mit der größten Steigerung der Schwingungsfestigkeit. Vielmehr ist es so, dass durch Versuche ermittelt werden muss, unter welchen Voraussetzungen die größte Steigerung möglich ist, d.h. in einer Versuchsreihe müssen Teile mit verschiedenen Korngrößen, Abwurfgeschwindigkeiten und Einwirkzeiten gestrahlt werden. Diese wiederum sind auf dem Prüfstand einer Anzahl von Lastwechseln zu unterziehen, wobei sich dann herausstellt, mit welcher Kombination die größte Lastwechselzahl erreicht wird.
Ein mit dieser Kombination erzielter Almenwert ist dann für die zu erstellende Verfestigungsanlage ein Kontrollmaß für gleich bleibende Verfestigungsarbeiten bzw. Qualität der zu behandelnden Teile. Dies ist einer der Gründe, dass wir im Vorfeld eines Projektes möglichst immer Versuchsreihen in unserem Prüffeld durchführen. Die Anlagen können so ideal auf die Ansprüche des Kunden abgestimmt werden. Selbstverständlich sind viele weitere Einflussfaktoren zu berücksichtigen, z. B. Strahlmitteldosierung und Wiederaufbereitung, aber es würde zu weit führen, diese alle im Detail zu beleuchten.
MFN: Welche Anforderungen stellen Sie an das Strahlmittel?
Harald Reinach: Beim Kugelstrahlen wird kugeliges Strahlmittel verschiedener Größen mit sehr hoher Festigkeit bzw. Härte über Schleuderradturbinen auf das zu behandelnde Gut geschleudert, wobei außer der Einwirkungszeit die Korngröße, der Aufprallwinkel sowie die Aufprallgeschwindigkeit der einzelnen Körner das Ergebnis beeinflussen, Korngröße und Geschwindigkeit deshalb, weil sie als Komponenten in die Gleichung für die kinetische Energie eingehen.
Formula: E = (m × v2) / 2
Es ist klar, dass mit einer hohen Masse und einer hohen Geschwindigkeit die kinetische Energie zunimmt. Um ein optimales Ergebnis erzielen zu können, ist nicht allein die kinetische Energie, sondern auch der Überdeckungsgrad wichtig. Beide Faktoren werden von dem zu verwendenden Strahlmittel mit beeinflusst. Je nach Anwendungsfall werden Stahlguss in Kugelform, arrondierte Stahldrahtstücke (Stahl oder rostfreier Stahl), Glasperlen oder keramische Werkstoffe verwendet. Die Härtegrade liegen normalerweise im Bereich von HRC 45 – HRC 70. Weiterhin dürfen Bereiche des Werkstücks nicht übermässig gestrahlt werden.
Hubert Prokopp: Hier sollten wir auch über die Bedeutung der Korngrössenverteilung sprechen. Das mit hoher Geschwindigkeit von den Schleuderradturbinen abgeworfene, kugelförmige Strahlmittel verformt die Werkstoffoberfläche plastisch. Dadurch tritt eine Oberflächenkaltverformung ein, die darin besteht, dass in den Kristalliten Gitterverformungen hervorgerufen werden. Die dabei erzeugte Druckeigenspannung in der oberflächennahen Zone verhindert die Bildung und Fortpflanzung von Rissen. Eine bekannte Tatsache ist es, dass sich ein Riss innerhalb einer Druckspannungsschicht nicht ausbreitet. Da fast alle Ermüdungsbrüche und Spannungsrisskorrosion von der Oberfläche ausgehen, ist durch Kugelstrahlen erzeugte Druckeigenspannung in der Oberfläche die Ursache für die Mehrfach-Erhöhung der Lebensdauer. Durch den Kornzerfall (Verschleiß des Strahlkorns) stellt sich nach einer gewissen Betriebszeit ein Betriebgemisch ein. Bei der Inbetriebnahme einer Strahlmaschine sollte bereits nach vorhandenen Erfahrungswerten ein Strahlmittelmischkonzentrat eingesetzt werden.
Der Beharrungszustand (Betriebsgemisch) bleibt nur erhalten, wenn laufend in richtiger Dosierung Neukorn zugeführt wird. Die Dosierung richtet sich nach dem Strahlmittelverbrauch. Verzögerung in der Nachfüllmenge setzt die Menge größerer Körner herab, wodurch die Strahlleistung ab- und die Strahlzeit zu nimmt. Im Gegensatz dazu wird, wenn größere Mengen neuen Strahlmittels auf einmal nachgefüllt werden, die erforderliche Menge kleinerer Körner herabgesetzt, die Oberfläche wird dann bei unveränderter Ausgangsrautiefe rauer. Gleichzeitig verschlechtert sich der Überdeckungsgrad. Automatische Nachfülleinrichtungen sorgen für ein konstantes Betriebsgemisch. Die obere Korngrenze im Betriebsgemisch wird durch die größte Abmessung innerhalb der Strahlmittelkornklasse bestimmt. Die kleinste Korngröße, die Abscheidekorngröße im Gemisch, wird durch die Einstellung des Strahlmittelreinigers bestimmt.
MFN: Welche Perspektiven sehen Sie in technischer Hinsicht?
Harald Reinach: Im Bereich der Schleuderstrahlanlagen wird es sicher weiterhin einfache Anlagen mit manueller Bedienung geben, die ein Höchstmass an Flexibilität ermöglichen. Bei der Produktion von Serien ähnlicher Geometrie und Abmessungen sehen wir verstärkt vollautomatische, autonome Fertigungszellen. Das Beschicken und Entladen erfolgt in diesem Falle mittels Handlingseinrichtungen oder durch Roboter. Die Wirtschaftlichkeit kann durch Senkung der Personalkosten und Steigerung des Wirkungsgrades gesteigert werden. Vor- und nachgeschaltete Funktionen sind möglich. Zellenlösungen erfordern klare Schnittstellen und klar definierte Prozessabläufe zu den weiteren Funktionen.
Die Modularität und Flexibilität der Anlagen ist ein wichtiges Kriterium, um bei wechselnden Prozessschritten rasch Anpassungen vornehmen zu können. Abschliessend sei gesagt, dass nach Abwägen von Technik, Qualität und Wirtschaftlichkeit, die Anwendung Kugelstrahlen mit Schleuderradtechnik einen festen Platz eingenommen hat. Für viele zukünftige Anwendungen wird das Schleuderradstrahlen nicht nur eine Alternative sondern die geeignete Lösung sein.
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