KUGELSTRAHLEN VON GETRIEBETEILEN FÜR DIE AUTOMOBILINDUSTRIE

Albert Schlatter und Hans Jörg Stoll
DISA Industrie AG, Solenbergstrasse 5, CH 8207 Schaffhausen, Switzerland

ÜBERBLICK
Kugelstrahlen mit Schleuderrädern bietet ein hohes Mass an Flexibilität und Prozesssicher-heit, speziell bei grösseren Serien und Werkstücken. Dieser Aufsatz beschreibt Lösungen für Antriebskegelräder und Tellerräder für die Automobilindustrie, bei BMW Dingolfing. Die Bedeutung von Strahlversuchen zur Ermittlung der optimalen Lösung wird dargestellt und die gefundene Lösung – Satelliten-Strahlanlagen - werden beschrieben. Ausserdem werden der Einfluss der Entstaubungsanlage und eines geeigneten Separationssystems auf die Ergebnisse des Kugelstrahlens, sowie die Bedeutung und Steuerung der Prozesssicherheit  aufgezeigt.

INHALT
1) Kugelstrahlen mit Schleuderrädern
2) Getriebeteile für die Automobilindustrie
3) Die Bedeutung von Strahlversuchen
4) Anlagenkonzept, automatisches Teilehandling
5) Entstaubungs- und Strahlmittel-Separationssystem
6) Prozesssicherheit

KUGELSTRAHLEN MIT SCHLEUDERRÄDERN
Allgemein bekannt ist das Kugelstrahlen mittels der Frei- oder Düsenstrahl- methode. In der heutigen Technik der Oberflächenbearbeitung hat sich aber auch das Kugelstrahlen – insbesondere auch das Schleuderstrahlverfahren – als zuverlässiger und wirtschaftlicher Bearbeitungsprozess durchgesetzt. Schleuderstrahlanlagen bieten ein hohes Mass an Flexibilität und Prozessicherheit und können zum Verfestigungsstrahlen einer breiten Palette von Werkstücken, gerade auch bei grossen Serien und grösseren Werkstücken, eingesetzt werden. Sie eignen sich vorwiegend für die Behandlung von Teilen, die Biege- oder Torsionswechselspannungen unterliegen.

1 Wurfschaufel
2 Öffnung
3 Einlaufstück
4 Verteiler

Bild 1, Arbeitsprinzip der Schleuderräder
Eine dosierte Strahlmittelmenge wird dem Schleuderrad über das Zuführrohr zugeführt. Durch den synchron zum Schleuderrad drehenden Verteiler (4) wird das Strahlmittel vorbeschleunigt und weitgehend stossfrei auf die Wurfschaufeln (1) abgegeben. Durch die Stellung der Öffnung (2) im Einlaufstück wird die gewünschte Abwurfrichtung bestimmt.

KUGELSTRAHLEN VON GETRIEBETEILEN FÜR DIE AUTOMOBILINDUSTRIE
Kugelstrahlen ist eine bewährte Technologie zur Steigerung der Dauerfestigkeit hoch- und wechselbeanspruchter Komponenten. Kugelstrahlen erlaubt leichtere Bauteile, die gewichts- und kosten / nutzenoptimiert bis an die Grenze ihrer Kennwerte ausgenützt werden können. Im Werk Dingolfing, Nähe München, fertigt BMW die gesamte Produktion von Getriebeteilen für Motorräder und Personenwagen. Dabei werden sowohl Monokulturen wie Mischserien gefahren. Nach dem Härten und Anlassen werden alle Teile zur Steigerung der Dauerfestigkeit und Vermeidung der Spannungs-Rissbildung und Korrosion gestrahlt, wobei die Anforderungen teilweise komplex sind: Einerseits müssen Zahnflanken der Teile gestrahlt, andere Bereiche aber nur entzundert beziehungsweise gereinigt werden. Es handelt sich um folgende Teilefamilien:

ANTRIEBSKEGELRÄDER
Abmessungen: min. Höhe 160 mm; max. Höhe 220 mm; max. Stückgewicht 3.5 kg
Anforderungen: Kugelstrahlen der Zahnflanken auf 0,28 – 0,32 mm Almen A mit einer Überdeckung von > 98 %, Reinigung bzw. Entfernen der Abdeckpaste am Gewinde ohne dass die Gewindefunktion beeinträchtigt wird; Entzundern der restlichen Partien, ohne verstärkte Aufhärtung am Schaft. Bei einer weiteren Sorte der Antriebskegelräder darf die Kopffläche nicht durch Strahlen aufgehärtet werden. Dies bedeutet, dass nur die Zahnflanken kugelgestrahlt werden, nicht aber die ungehärteten Kopfpartien und insbesondere das Zentrum wo die Teile für die Rundlaufmessung eingespannt werden.

TELLERRÄDER
Abmessungen : max. Durchmesser 240 mm; max. Höhe 42 mm; max. Stückgewicht 4 kg Anforderungen: Kugelstrahlen der Zahnflanken auf 0,28 – 0,32 mm Almen A mit einer Überdeckung von > 98 % und Entzundern der restlichen Partien.

Weitere Anforderungen und Vorgaben für beide Teilefamilien sind:

• Strahlmittel S230, Härte 46-52 HRC
• Teller- und Antriebskegelräder müssen sowohl paarweise wie einzeln gestrahlt werden können, was speziell konzipierte Aufnahmevorrichtungen nötig macht. 
• Produktion: 6'000 Paare / Tag, 3-Schichtbetrieb

Bild 2: Teile einzeln und paarweise gestrahlt


Bild 3: Teile einzeln und paarweise gestrahlt

Kugelstrahlen ist normalerweise die letzte Fertigungsoperation. In diesem Falle werden aber die Zahnpartien nach dem Einsatzhärten und Strahlen geläppt, danach wird das Ablaufverhalten geprüft. Ein entscheidender Qualitätsindikator ist das Verhalten der Zahnflanken-Oberflächen beim Läppen. So wird beim Unterschreiten der vorgegebenen Almenwerte zuviel und beim Überschreiten zuwenig Material abgetragen. Beides führt schliesslich zu erhöhten Geräuschemissionen. Es ist daher absolut entscheidend, dass die vorgegebenen Almenwerte genau eingehalten werden.  Die Laufruhe wird in einem speziellen Prüfverfahren ermittelt, wobei die Toleranzzone zwischen 7 und 10 auf einer Skala von 10 Einheiten liegt.

DIE BEDEUTUNG VON STRAHLBERSUCHEN
Zur Lösungsfindung wurden im DISA-Test-Center in Schaffhausen / Schweiz, an einer Labormaschine mit den Werkstücken des Kunden ausgedehnte Strahlversuche durchgeführt. Hierbei galt es, die Lage des Schleuderstrahls und somit die genaue Position (Winkel) sowie, Strahlintensität, Strahlmittelmenge und Strahlzeit zu ermitteln und den Nachweis der Wirtschaftlichkeit zu erbringen.

Die in Versuchen gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass die Aufgabe mit einer Satelliten-Strahlanlage optimal gelöst werden kann. Aufgrund der Testergebnisse wurde die Maschinenkonstruktion den Bedürfnissen des Kunden und somit den geforderten Applikationen angepasst.

SATELLITEN-STRAHLANLAGEN - UNIVERSELL UND VIELFACH ERPROBT
Mit Satelliten-Strahlanlagen werden Zahnräder, Kegel- und Tellerräder, Naben und Getriebewellen, aber auch Teller- und Kupplungsfedern im Umlaufverfahren gestrahlt. Satelliten (im konkreten Falle 15 drehzahlüberwachte Satelliten), die im Drehtisch der Anlage eingebaut sind, nehmen die Werkstücke auf und führen sie taktweise durch die Anlage. Der Antrieb des Drehtisches erfolgt mittels Schrittschaltgetriebe und positioniert die einzelnen Satelliten so präzise, dass nebst manueller Beladung auch mit Industrierobotern, Manipulatoren oder automatischen Modulen beschickt werden kann. Die Satelliten verfügen über eine robuste Lagerung mit Labyrinthdichtung. In der Strahlzone werden sie durch einen Zahnriemen in Rotation versetzt.

Die Schleuderräder können flexibel angeordnet werden, das Strahlbild kann so ideal auf den Anwendungsfall abgestimmt werden. Dies ermöglicht, dass die Teile stets im Hot-Spot gestrahlt werden. Die Strahlparameter (Strahlmittelmenge, Kornverteilung, Abwurfgeschwindigkeit, Schleuderraddrehzahl, Werkstückdrehung und Verweilzeit) werden teilespezifisch geregelt. Die Anlage ist mit zwei unterschiedlich positionierten DISA-Schleuderradeinheiten des Typs 70 x 500, in diesem Falle mit jeweils 22 kW Antriebsleistung ausgerüstet. Sie sind frequenzgesteuert, so dass sowohl die Strahlintensität als auch die Drehrichtung der Räder und somit die Lage des Schleuderstrahls den unterschiedlichen Werkstücken angepasst werden kann. Die Strahlmittelmenge wird über ferngesteuerte Strahlmittel-Dosiervorrichtungen an das vorgewählte Strahlprogramm angepasst. Auf Satelliten-Strahlanlagen können auch flache Teile (z. B. Kupplungsfedern) gestrahlt werden. Nach halbem Durchlauf werden diese automatisch um 180⁰ gewendet.

Bild 4: Arbeitsprinzip Satelliten-Strahlanlage

AUTOMATISCHES HANDLING
Aufgrund der ausgezeichneten Leistungen mit den ersten beiden Maschinen wurde ein drittes Investitionsprojekt verabschiedet. Vorgesehen war die vollautomatische Produktion von Gross-Serien in einer autonomen Fertigungszelle. Bei dieser übernehmen Roboter das Teilehandling (Beschicken und Entladen der Anlage). Die Zellenfuktionen im Einzelnen:

• Vollautomatisches Beschicken und Entladen ab und auf Werkstückpaletten
• Verfestigungsstrahlen
• Richten der Teile
• Induktives Härten der Gewindebolzen
• Schleifen der Gewindestirnflächen
• Kugeltastprüfung (Zahnabstände)

Beschicken:  Der Robotergreifarm übernimmt das Werkstück von einer Palette, greift das Antriebskegelrad an seinem Schaft und legt es in eine Linear-Hubvorrichtung über dem Satellitentisch. Diese senkt das Werkstück in die Aufnahmevorrichtung der Strahlmaschine ab und fährt dann in die Ausgangsposition zurück. Entladen wird wie folgt: Nachdem der Maschinentisch um eine Position weitergeschaltet hat und eine bearbeitete Komponente zum Entladen ansteht, fährt die Hubeinheit nach unten, greift das Antriebskegelrad und zieht es so weit nach oben, dass der Roboter die Komponente fassen und auf einer bereitstehenden Palette ablegen kann.

Bild 5: Satelliten-Strahlanlage  in einer autonomen Fertigunsgzelle

Zellenlösungen erfordern eindeutig definierte Schnittstellen und Prozessabläufe. Die Modularität und Flexibilität solcher Anlagen ist ein weiters Schlüsselkriterium, damit Produktionsanpassungen kurzfristig und kostengünstig möglich sind. Diese Art Anlagen ermöglicht auch eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Produktionsfläche. Die Strahlprogramme selbst sind der jeweiligen Teilefamilie zugeordnet, wobei sichergestellt wird, dass mit den vorgegebenen Parametern gearbeitet und die Prozesssicherheit gewährleistet ist. Die einzelnen Programme werden über Knopfdruck am Bedienungstableau abgerufen. 

ENTSATUBUNG UND STRAHLMITTELAUBEREITUNG
Hinzu kommt eine Entstaubungsanlage (keine Zentralentstaubung, wir empfehlen unseren Kunden grundsätzlich den Einsatz von separaten Filtern für jede Strahlanlage) mit einer Leistung von 5’000 Nm3/h. Die Absaugung der Anlage und die Funktion des pneumatischen Separators kann so optimal einreguliert werden. Der Separator erfüllt folgende Funktionen: 

• Zunder und Staub vom Strahlmittel zu trennen und auszuscheiden
• Abgeriebene, für den Strahlvorgang unbrauchbare Strahlmittelpartikel zu eliminieren.

Da die Lebensdauer der Verschleissteile entscheidend vom Reinheitsgrad des Strahlmittels abhängt gilt:

• Je besser der Separator, desto höher die Wirtschaftlichkeit
• Je reiner das Strahlmittel, umso sauberere und staubfreier die Werkstücke.

Nebst der Verschleissfrage ist die Konstanz der Strahlmittel-Korngrössenverteilung – speziell beim Kugelstrahlen – das wichtigste Kriterium qualitätsorientierter Produktion. Leistungseinbussen oder mangelhafte Strahlergebnisse (Oberflächenverfestigung) können so ausgeschlossen werden. Neukorn wird automatisch zugeführt.

Anordnung der Schleuderräder (Bild 6, links) ...

... und Separationssystem (Bild 7, rechts)

PROZESS-SICHERHEIT
Beim Kugelstrahlen ist die Prozess-Sicherheit entscheidend. Jedes Teil soll eine definierte Behandlung erfahren. Die Strahlintensität wird durch Ermittlung von Almenwert und Überdeckungsgrad laufend überprüft. Weil alle Parameter (Drehzahl, Strahlzeit, Abwurfgeschwindigkeit, Korngrössen und Kornverteilung) bei Satelliten Strahlanlagen genau definiert sind, können Almenintensität und Überdeckungsgrad werkstückspezifisch angepasst und geprüft werden. Die Prozess-Sicherheit ist damit jederzeit gewährleistet.

ZUSAMMENFASSUNG
Die guten Erfahrungen veranlassten den Kunden, Versuche mit Hinterachsgetriebeteilen für Motorräder durchzuführen, die erfolgreich verliefen. Mittlerweile sind 3 Satellitenstrahl-anlagen von DISA im Einsatz, wobei zwei Anlagen manuell beschickt und entladen werden. Eine dritte Anlage zur Produktion von Gross-Serien (Monokulturen) arbeitet vollautomatisch in einer autonomen Fertigungszelle. Das Beschicken und Entladen erfolgt in diesem Falle automatisch mittels Roboter. Die Wirtschaftlichkeit kann durch Senkung der Personalkosten und Steigerung des Wirkungsgrades nochmals entscheiden gesteigert werden.

Wir stellen erneut fest, dass die Anforderungen an eine Kugelstrahllösung im Vergleich zu den bekannteren Strahlanwendungen z.B. das Putzen von Werkstücken in Giessereien und in Schmieden, sehr komplex sind: Der Maschinenhersteller ist daher bei der Konzeption der Anlage entsprechend gefordert.

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 beste Lösung sein.