Wärmebehandlungsintegration in der Getriebefertigung - Praxiserfahrungen

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

GETPRO Kongress 25./26. März 2015 in Würzburg Wärmebehandlungsintegration in der Getriebefertigung - Praxiserfahrungen

Vortragender:

Dr. Klaus Löser ALD Vacuum Technologies GmbH Wilhelm-Rohn-Str. 35 63450 Hanau

Weitere Autoren:

Karl Ritter Gunther Schmitt ALD Vacuum Technologies GmbH

Zusammenfassung: Um die geforderten Eigenschaften von Getriebekomponenten sicherzustellen, müssen diese in vielen Fällen einsatzgehärtet werden. Dies wird traditionell in den Zentralhärtereien der Betriebe durchgeführt. Aus der räumlichen Trennung zwischen mechanischer Fertigung und Wärmebehandlung resultiert jedoch ein enormer logistischer Aufwand. Daher wird seit vielen Jahren nach Möglichkeiten gesucht, das Einsatzhärten räumlich in den Bereich der mechanischen Fertigung zu integrieren. Durch den Einsatz neuer Wärmebehandlungstechnologien, wie der Niederdruckaufkohlung (NDA) mit Hochdruck-Gasabschreckung (HDGA) und der Einführung eines flexiblen Wärmebehandlungssystems vom Typ ModulTherm® ist es seit einigen Jahren möglich, die Wärmebehandlung in räumlicher Nähe der Getriebefertigung durchzuführen. Durch konsequente Weiterentwicklung des Integrationsgedankens und der Einführung des getakteten Wärmebehandlungssystems SyncroTherm® ist es nun auch möglich, das Einsatzhärten direkt in die Fertigungslinie zu integrieren und mit dem Fertigungsfluss zu synchronisieren. Der Beitrag stellt die beiden Konzepte zur Fertigungsintegration des Einsatzhärtens von Getriebebauteilen vor mit Schwerpunkt auf den Themen Teilelogistik, Chargierkonzept und Qualitätssicherung. Er berichtet über mittlerweile teils langjährige Praxiserfahrungen mit der Fertigungsintegration bei verschiedenen Anwendern dieser Technologie aus dem Bereich der Automobil- bzw. Getriebefertigung.

©FVA

www.GETPRO.de

1/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

1. Einleitung Seit Jahrzehnten stellen sich die Getriebehersteller der Herausforderung, hochwertige Getriebekomponenten kostengünstig herzustellen. Um die geforderten Bauteileigenschaften sicherzustellen, müssen die Getriebeteile einsatzgehärtet werden, was traditionell in den Zentralhärtereien der Betriebe durchgeführt wird. Aus der räumlichen Trennung zwischen Fertigungslinie und Wärmebehandlung resultiert ein enormer logistischer Aufwand. Daher wird seit vielen Jahren nach Möglichkeiten gesucht, die Wärmebehandlung in die mechanische Fertigungslinie zu integrieren [1]. Durch den Einsatz neuer Wärmebehandlungstechnologien, wie der Niederdruckaufkohlung (NDA) mit Hochdruck-Gasabschreckung (HDGA) ist es seit einigen Jahren möglich, die Wärmebehandlung zumindest im räumlichen Umfeld der Fertigung durchzuführen [2] (Bild 1a). Eine direkte Integration in die Fertigungslinie inklusive Synchronisation mit dem Fertigungstakt der Weichverzahnung ist mit dieser Technologie nicht möglich, da die Getriebebauteile nach der Grünfertigung zu Großchargen zusammengefasst und nach der Wärmebehandlung zur Hartbearbeitung wieder vereinzelt werden müssen. Durch eine entsprechende Weiterentwicklung der NDA-Technologie in Richtung Hochtemperatur-Aufkohlung und der Entwicklung eines neuen Anlagenmoduls, basierend auf einem einlagigen Chargierkonzept, ist es inzwischen allerdings auch möglich, die Wärmebehandlung direkt in die jeweilige Fertigungslinie zu integrieren und mit ihr zu synchronisieren (Bild 1b). Gemäß der Fertigungsphilosophie „One Piece Flow (OPF)“ werden die Bauteile in diesem Wärmebehandlungsmodul einzeln von der Grünbearbeitung der Wärmebehandlung zugeführt, im Takt der Weichbearbeitung wärmebehandelt (synchrone Wärmebehandlung) und dann einzeln von der Wärmebehandlung an die Hartbearbeitung übergeben.

Bild 1. Getriebefertigungskonzepte mit integrierter Wärmebehandlung, a) lokale, zentrale Integration, b) vollständige Linienintegration

©FVA

www.GETPRO.de

2/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

2. Fertigungsintegrierte Wärmebehandlungssysteme 2.1 Flexibles, modulares Mehrkammersystem ModulTherm® Für die Großserienwärmebehandlung haben sich flexible, modulare Anlagensysteme im Markt durchgesetzt (Bild 2). Diese Anlagen sind gekennzeichnet durch bis zu 12 separate Behandlungskammern, die in einer Reihe angeordnet sind und die mit einem auf Schienen beweglichen Transportmodul mit Chargen versorgt werden. In den Behandlungskammern erfolgt der Wärmebehandlungsprozess, d.h. beim Einsatzhärten von Getriebebauteilen zunächst die Erwärmung, die eigentliche Aufkohlung, die Diffusion und dann noch in einigen Fällen ein abschließendes Absenken auf Härtetemperatur. Die Behandlungskammern sind Kaltwandöfen, d.h. die Kammern strahlen keine Wärme nach außen ab. Sie stehen immer unter Vakuum/Stickstoff und Prozesstemperatur. In Stillstandzeiten müssen die Kammern weder beheizt noch formiert werden und sind nach dem Einschalten in Kürze betriebsbereit. Das Transportmodul besteht aus einer Transportkammer, in der ein Gabelhubsystem angeordnet ist und einer Hochdruck-Gasabschreckkammer, in der die Chargen nach dem Wärmebehandlungsvorgang im Gasstrom mit Stickstoff oder Helium gehärtet werden. Das Transportmodul wird über Schläuche, die in einer Energiekette verlegt sind mit den notwendigen Medien wie Strom, Gas und Kühlwasser versorgt. Die Be- und Entladung der Behandlungskammern erfolgt über die Teleskopgabel des Transportmoduls. Dadurch dass die Abschreckkammer zum Abschrecken vor die jeweilige Behandlungskammer gefahren wird, ergibt sich ein sehr kurzer und für jede Behandlungskammer gleicher Transportweg aus der Behandlungskammer in die Abschreckkammer. Die Chargierung der Getriebebauteile erfolgt auf einem Chargiergestell mit den Grundabmessungen 1000*600 mm. Flache Bauteile, wie z.B. Getrieberäder werden üblicherweise mehrlagig chargiert, um die maximal mögliche Chargenhöhe von 750 mm auszunutzen. Das maximale Bruttochargengewicht beträgt bis zu 1000 kg. Um diese Großchargen, sogenannte 3D-Chargen, möglichst schnell und trotzdem gleichmäßig zu erwärmen und abzuschrecken, ist eine konvektive Erwärmungseinrichtung in der Behandlungskammer bzw. eine Strömungsreversiereinrichtung in der Gasabschreckkammer vorteilhaft. Die Produktionskapazität (kg/h, Teile/h) einer solchen Anlage ergibt sich aus der Beladung eines Chargiergestells (kg, Anzahl Teile) und dem Anlagentakt. Dieser hängt wiederum ab

Bild 2. Flexibles, modulares Mehrkammersystem ModulTherm® ©FVA

www.GETPRO.de

3/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

von der Anzahl der Behandlungskammern und der Prozesszeit für die Wärmebehandlung. Bei einer für Getrieberäder üblichen Einsatzhärtetiefe CHD= 0,65 mm ergibt sich beispielsweise bei 960°C eine Prozessdauer von 180 min. Bei 9 Behandlungskammern resultiert daraus ein Anlagentakt (180/9) von 20 min. Bei einer Bruttobeladung von 600 kg/Charge ergibt sich dabei eine Produktionskapazität von 1.800 kg/h. In der Praxis wird eine ModulTherm®-Anlage in der Fertigung üblicherweise lokal zwischen der mechanischen Weich- bzw. Hartbearbeitung platziert. Sämtliche Getriebebauteile (Wellen, Räder) werden aus den verschiedenen Fertigungslinien der zentralen Wärmebehandlungsanlage auf Bodenrollern zugeführt. An der Anlage werden die Teile, zu Wärmebehandlungslosen zusammengefasst, auf Chargiergestelle geladen und rezeptgesteuert wärmebehandelt. Die Rezepte werden i.d.R. bauteilabhängig erstellt und damit den jeweiligen Anforderungen an Gefüge, Härte und Verzug optimal angepasst. Nach der Wärmebehandlung werden die Bauteile aus dem Fertigungslos wieder vereinzelt und den verschiedenen Hartbearbeitungslinien zugeführt. Die Merkmale der ModulTherm-Technologie sind zusammengefasst: - Großchargenbehandlung, mehrlagig - breites Bauteilspektrum (Wellen, Räder, Synchronbauteile) in einer Anlage behandelbar - Konv. Erwärmung und Gasreversierung beim Abschrecken für gleichmäßige Behandlung - Chargenpuffer vor und nach der Wärmebehandlung - Parallele Behandlung von Chargen unterschiedlicher Aufkohlungstiefen ohne Umtakten 2.2 Linienintegriertes, getaktetes Wärmebehandlungssystem SyncroTherm® Um eine noch effektivere und wirtschaftlichere Produktion von Getriebebauteilen zu erreichen, wird eine Umstellung von der großchargenbezogenen Fertigung hin zu einer Einzelteilfertigung angestrebt [3]. Das Ziel ist es, einzelne Teile von Fertigungsschritt zu Fertigungsschritt zu transportieren, ohne die Prozesskette zu unterbrechen. Dieses unter dem Begriff „One Piece Flow (OPF)“ angestrebte Konzept gewährleistet einen kontinuierlichen Teilefluss und vermeidet den enormen Aufwand für Transport und Lagerung der Bauteile zwischen den einzelnen Fertigungsschritten. Die vollständige Integration aller Fertigungsschritte eröffnet völlig neue Perspektiven in der Automatisierung, was zu einer Reduktion der Fertigungskosten und zu einer Erhöhung der Qualität führt.

Bild 3. Linienintegriertes, getaktetes Wärmebehandlungssystem SyncroTherm® ©FVA

www.GETPRO.de

4/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Um eine direkte Integration der Wärmebehandlung in die Fertigungslinie zu ermöglichen, wurde sowohl eine neue Prozesstechnik (Hochtempertauraufkohlen) als auch eine neue Anlagentechnologie (SyncroTherm®) entwickelt (Bild 3) [4]. Um einen Einsatzhärteprozess zu ermöglichen, der dem Takt der Weichbearbeitung folgt, ist eine drastische Prozesszeitverkürzung erforderlich. Dazu wird die Prozesstemperatur des inzwischen etablierten Niederdruck-Aufkohlungsprozesses (NDA) von 920 – 960°C auf ein deutlich höheres Temperaturniveau von 1000° - 1050°C angehoben. Voraussetzung für diese Erhöhung der Prozesstemperatur war die Entwicklung von neuen, mikrolegierten Werkstoffvarianten, um ein Kornwachstum während der Wärmebehandlung zu vermeiden. In der neuen Anlagentechnik werden die Bauteile statt in der üblichen Großcharge einlagig auf einem Werkstückträger chargiert und in sogenannten „2D-Chargen“ einsatzgehärtet (Bild 4). Diese 2D-Chargen bieten eine Vielzahl von Vorteilen. Sie lassen sich deutlich schneller erwärmen als die großen, mehrlagigen 3D-Chargen. Jedes einzelne Bauteil wird durch oberhalb und unterhalb des Bauteils angeordnete Flächenheizkörper direkt angestrahlt. Somit ist eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung gewährleistet. Die einlagige Chargierung bietet die besten Voraussetzungen für gleichmäßige und reproduzierbare Ergebnisse, auch für die weiteren Prozessschritte, das Aufkohlen und die Hochdruck-Gasabschreckung (HDGA). Zudem erlaubt die einlagige Chargierung eine individuell gesteuerte und bauteilangepasste HDGA für verschiedene Bauteilgeometrien durchzuführen und bietet somit das Potential, die Wärmebehandlungsverzüge signifikant zu reduzieren [5].

Bild 4. Chargierung in 2D-Chargen Das SyncroTherm®-System besteht aus einer vorderen druckfesten Kammer, die sowohl als Einlaufschleuse als auch als Abschreckkammer fungiert. Die hintere Behandlungskammer besteht aus einem kalten Beladebereich mit einem Teleskoplader und bis zu sechs übereinander angeordneten Heizzonen, die jeweils einen Werkstückträger aufnehmen können. Die Behandlungskammer steht immer unter Vakuum und ist von der Einschleuse/Abschreckkammer durch eine druckfeste Tür getrennt. Der Prozessablauf ist wie nachfolgend beschrieben. Ein Werkstückträger (2D-Chargierung) wird über die Fronttür in die Abschreckkammer eingeschleust. Die Kammer wird dann evakuiert, um den unerwünschten Sauerstoff zu entfernen. Danach wird der Werkstückträger mit dem integrierten Lader in eine Heizzone umgesetzt. Der Behandlungsdruck ist in allen Zonen gleich hoch. Die Temperatur sowie die Prozessgaszuführung werden in jeder Zone individuell geregelt. Sobald ein Werkstückträger in eine Heizzone umgesetzt ist, beginnt die schnelle Erwärmung und Aufkohlung der Werkstücke bei hohen Temperaturen. Nach der Aufkohlung wird der Werkstückträger mit dem internen Lader in die Abschreckkammer umgesetzt und die Bauteile werden dort mit dem Abschreckgas Stickstoff bei einem Druck bis max. 10 bar schnell und gleichmäßig abgeschreckt. Durch die einlagige Anordnung der Werkstücke wird eine sehr effektive und gleichmäßige Abschreckungswirkung erzielt. Nach der Abschreckung wird die Kammer belüftet und die Bauteile werden entnommen und der Anlassbehandlung zugeführt. Nach dem Anlassen werden die Bauteile dann mittels Handling-System vereinzelt und der Hartbearbeitung zugeführt. ©FVA

www.GETPRO.de

5/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Die Produktionskapazität (Teile/h) bzw. der Durchsatz einer solchen Anlage hängt ab von der Anzahl der Teile/Werkstückträger, der Prozesszeit und der Anzahl der Heizzonen. Für eine typische Einsatzhärtetiefe von 0,65 mm und 1050°C Aufkohlungstemperatur ergibt sich eine Gesamtprozessdauer von nur 40 min. Ausgehend von einer SyncroTherm®-Anlage mit 6 Heizzonen und einer Beladung mit 20 Zahnrädern (Ø rd. 100 mm) pro Werkstückträger ergibt sich eine Taktzeit von 20 s pro Zahnrad. Die Merkmale der SyncroTherm®-OPF-Technologie sind zusammenfasst: - Wärmebehandlung synchron zum Fertigungstakt - einlagige (2D) Chargierung, Zahnräder aber keine langen Wellen - schnelle, gleichmäßige Strahlungserwärmung - kurze Prozessdauer, da Hochtemperaturaufkohlung - bauteilangepasste Gasbschreckung (Düsenfeld), d.h. Potential für geringe Verzüge und reduzierte Hartbearbeitung - fertigungslinienintegrierbar, da kompakte Bauweise 3. Chargierkonzepte In Vakuum-Mehrkammeranlagen finden üblicherweise, je nach Anwendungstemperatur, hitzebeständige Gussgestelle auf Eisen- bzw. Nickelbasis Verwendung. Diese Gestelle neigen unter der Wirkung der hohen Temperatur und der mechanischen Beanspruchung durch das Gewicht der Charge zum Kriechen, d.h. zu einer bleibenden Verformung, z.B. einer Durchbiegung. Außerdem kann es prozessbedingt zu einem Wachsen der Gestelle infolge Gefügeänderung kommen. Beim Abschrecken der Charge unterliegen die Gestelle einer hohen thermischen Wechselbeanspruchung, die zu Rissen im Gestell führen kann. Seit einigen Jahren finden daher auch Gestelle aus CFC Verwendung, insbesondere in Anlagen mit Hochdruck-Gasabschreckung. Unter CFC (Carbon Fiber-reinforced Carbon) versteht man ein Material, das aus einer Kohlenstoffmatrix und aus Kohlenstofffasern mit einem Faservolumenanteil von ca. 50 - 60% besteht. CFC ist ein warmfester Werkstoff der unter Schutzgas oder Vakuum bis zu Temperaturen weit über 2000°C eingesetzt werden kann. Eine Besonderheit des Werkstoffes ist die Zunahme der Festigkeit mit steigender Temperatur. Gegenüber Raumtemperatur nimmt die Heißbiegefestigkeit bis 1000°C um ca. 15% zu. CFC-Chargiergestelle zeichnen sich durch ihre Leichtbauweise und sehr geringe Kriechneigung und damit einhergehend durch hohe Maßhaltigkeit aus. Im Gegensatz zu Gestellen aus Stahl kommt es auch nach mehrjährigem Einsatz nicht zu einer Durchbiegung oder Verwerfung des Gestells. Zudem kommt es nicht zur Rissbildung, welche bei Gestellen aus Stahl häufig auftritt. Bei der Wärmebehandlung der Bauteile auf CFC-Gestellen ist garantiert, dass alle Bauteile stets horizontal gelagert sind. Dies bewirkt in vielen Fällen eine Verminderung der Wärmebehandlungsverzüge. Die Dichte von CFC beträgt lediglich 1400 bis1650 kg/m3 gegenüber Stahl mit ca. 7900 kg/m3. Damit sind CFC-Gestelle deutlich leichter als Gestelle aus Stahl und können somit schneller erwärmt werden. Allerdings wird dieser Vorteil teilweise aufgezehrt durch die höhere spezifische Wärmekapazität von CFC mit rd. 1 bis 2 kJ/kgK im Vergleich zu Stahl mit ca. 0,5 kJ/kgK. Die maximale Anwendungstemperatur beim Einsatz in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wie z.B. Luft sollte 350°C nicht überschreiten. Gestelle aus CFC sind im Regelfall deutlich teurer als Gestelle aus Stahl. Sie weisen jedoch auch eine deutlich höhere Lebensdauer auf. Lebensdauern von 9 Jahren und mehr wurden bereits mehrfach nachgewiesen. Üblicherweise wird bei der Beschaffung mit einer Lebensdauer der CFC-Gestelle von 5 Jahren geplant. Im Entwicklungsstadium befinden sich derzeit neue keramische Verbundwerkstoffe auf Siliziumoxidbasis. Sie versprechen mit CFC-Werkstoffen vergleichbare Festigkeitseigenschaften und sind zudem oxidationsbeständig. ©FVA

www.GETPRO.de

6/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Bild 5. Chargierkonzepte für Getriebebauteile, a) Wellen auf metal. Chargenträger, b) Räder mehrlagig auf metal. Chargenträger, c) Ring gears mehrlagig auf CFC-Chargenträger Für Getriebebauteile sind 2 Chargiervarianten üblich. Lange, schlanke Bauteile wie Wellen werden aus Verzugsgründen vertikal chargiert. Flache Bauteile wie Getrieberäder und Synchronbauteile werden sowohl liegend, als auch hängend chargiert, in der Regel mehrlagig (Bild 5). Einfluss auf die Entscheidung über hängende bzw. liegende Chargierung nimmt dabei die Geometrie der Bauteile aber auch der Automatisierungsgrad der Beladung. Eine vollautomatische Beladung von Getrieberädern einschließlich Stapelung von Einzelgestellen übereinander ist nur bei liegender Chargierung möglich. Allerdings ermöglicht die hängende Chargierung durch Auffädelung der Getrieberäder auf Stangen eine höhere Chargierflexibilität und Chargierdichte. 4. Qualitätssicherung in der Großserienproduktion Die für die Serienfertigung in der Getriebeproduktion erforderlichen Prozessparameter werden in Serienvorläufen ermittelt. Die daraus resultierenden optimalen Prozessparameter werden in bauteilspezifischen Wärmebehandlungsrezepten gespeichert. Die Erstellung der Rezepte erfolgt unter Verwendung einer Simulationssoftware. Nach Eingabe der erforderlichen Zeichnungs-/Spezifikationsvorgaben wie Einsatzhärtetiefe, Randkohlenstoffgehalt und Kernhärte berechnet die Software das entsprechende Wärmebehandlungsrezept, das dann in der Anlagensteuerung hinterlegt wird. Während des Wärmebehandlungsprozesses werden die Rezeptparameter Temperatur, Puls-/Pausendauer, Druck und Aufkohlungsgasmenge mit geeigneten Sensoren an der Anlage geregelt und dokumentiert. Nach dem Wärmebehandlungsprozess werden die Bauteile metallurgisch untersucht und die Ergebnisse mit den Zeichnungsvorgaben verglichen. Erfüllen die Bauteile die Spezifikation, wird das Rezept „eingefroren“, d.h. aus dem Entwicklungsstatus in den für die Produktion freigegebenen überführt. Nach erfolgreicher Bemusterung der Getriebebauteile werden die Bauteile einem PPAP (Production Part Approval Process – nach AIAG) bzw. einem PPF (Produktionsprozess- und Produktfreigabe – nach VDA) unterzogen. Dieser Test dient zur Beurteilung und Freigabe der Serienteile für die Produktion. Teile, die diesen Prozess erfolgreich durchlaufen haben, sind für die Produktion freigegeben. Kommt es während des laufenden Produktionsbetriebs zu Änderungen im Bereich des Eingangsmaterials (neue Werkstoffcharge, andere Vorwärmebehandlung), so kann es bei unverändertem Rezept zu Abweichungen im Behandlungsergebnis kommen. In Abhängigkeit der Qualitätsanforderungen kann es daher sinnvoll sein, im Falle einer neuen Werkstoffcharge einen Chargenvorlauf zu fahren, um zum Beispiel die Vorverzahnungsparameter bei der Weichbearbeitung bzw. die Abschreckparameter beim Härten entsprechend anzupassen. 4.1 Prozessmonitoring Im Unterschied zur Wärmebehandlung von Getriebebauteilen in kontinuierlichen Durchstoßbzw. Drehherdöfen erlauben Vakuum-Wärmebehandlungssysteme wie ModulTherm® und SyncroTherm® eine chargenbezogene Überwachung und Dokumentation der Wärmebehandlungsdaten. Das bedeutet, dass für jede Wärmebehandlungscharge, die die Anlage verlässt, ©FVA

www.GETPRO.de

7/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

ein Chargenprotokoll verfügbar ist, das lückenlos den gesamten Wärmebehandlungsprozess, d.h. Voroxidation, Aufkohlung, Abschrecken und Anlassen dokumentiert. Die Daten werden zusätzlich im Anlagen-PC gespeichert und stehen dort für weitere Analysen und statistische Auswertungen zur Verfügung.

Process Monitoring Protocol

Heat Treatment Protocol

Bild 6. Qualtitätssicherung durch Prozess-Monitoring Zusätzlich zum standardmäßigen Prozess-Monitoring des Anlagenzustandes und gegebenenfalls auftretender Alarme besteht die Option, ein chargenbezogenes Prozess-Monitoring einzusetzen (Bild 6). Dabei werden alle prozessrelevanten Störungen von Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Gasmengen, etc. im Chargenprotokoll dokumentiert und mit gut/schlecht Kennung bewertet. Falls ein Istwert eines Parameters vom spezifizierten Sollwert abweicht, erscheint im Chargenprotokoll eine Schlechtkennung. Diese Information wird zusätzlich automatisch in das Qualitätssicherungssystem weitergeleitet. Nun kann entschieden werden, ob die Charge als “noch gut” bewertet wird, ob zusätzliche metallurgische Untersuchungen durchgeführt werden müssen oder ob die Charge zu sperren ist. Die Grenzwerte der Prozessparameter können bauteilspezifisch definiert werden und werden, abhängig vom Rezept, als Maschinenparameter in der Anlagensteuerung abgelegt. 4.2 Aufkohlungsproben Eine zusätzliche Möglichkeit der Qualitätssicherung ist der Einsatz von Aufkohlungsproben. Dabei wird jede Charge mit mindestens einer oder mehreren dieser Proben, verteilt in der Charge, versehen. Durch einfaches Auswiegen der Proben vor und nach dem Einsatzhärten wird eine schnelle und kostengünstige Bewertung des Aufkohlungsergebnisses ermöglicht. Im Falle einer Abweichung vom Sollwert kann zusätzlich die Oberflächenhärte und das Kohlenstoffprofil geprüft werden. Bild 7 zeigt beispielhaft die Massezunahme von Aufkohlungsproben zur Qualitätssicherung von Großserien-Wärmbehandlungsprozessen an DieselEinspritz-komponenten. Die Niederdruck-Aufkohlungsprozesse werden in 3 Wärmebehandlungsanlagen des Typs DualTherm® durchgeführt. Die Ergebnisse der Qualitätssicherung über einen Zeitraum von 5 Arbeitswochen zeigen, dass der Prozess gut zwischen der Oberund Untergrenze des zulässigen Streubandes zentriert ist und es nur geringfügige Abweichungen zwischen den 3 Anlagen gibt.

©FVA

www.GETPRO.de

8/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Bild 7. Qualitätssicherung beim Einsatzhärten unter Verwendung von Aufkohlungsproben 4.3 Prozessfähigkeit, Maschinenfähigkeit Durch die zunehmende Integration von Wärmebehandlungsanlagen in die mechanische Getriebefertigung muss sich auch die Wärmebehandlung der Herausforderung der Qualitätssicherung hinsichtlich Prozessfähigkeit stellen. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass das Wärmbehandlungsergebnis von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängt, die außerhalb des Einflussbereiches der eigentlichen Wärmebehandlung liegen. So können z.B. Inhomogenitäten im Vormaterial selber oder komplexe Eigenspannungen durch die mechanische Vorbehandlung nachteilige Auswirkungen auf das Behandlungsergebnis haben und trotz ansonsten qualitativ hochwertiger Wärmebehandlung zu einer höheren Streubreite des Ergebnisses führen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Qualitätsbewertung eines Wärmebehandlungsergebnisses sehr viel aufwändiger und die Messmethoden wesentlich toleranzbehafteter sind, als z. B. das Überprüfen einer geometrischen Abmessung nach der mechanischen Bearbeitung. Wird trotzdem eine Beurteilung der Prozessfähigkeit des Wärmebehandlungsprozesses gewünscht, so muss mindestens sichergestellt sein, dass: -

absolut gleiches Eingangsmaterial (Schmelze, Vorwärmebehandlung, Vorfertigung) vorliegt ein sehr hoher Aufwand bezüglich Analytik im Labor betrieben wird

Da diese Voraussetzungen in den meisten Fällen nicht gegeben sind bzw. nicht mit vertretbarem Aufwand sichergestellt werden können, müssen, um die geforderten Prozessfähigkeitswerte zu erreichen, oftmals die entsprechenden Toleranzbänder aufgeweitet werden. 5. Beispiele aus der Fertigungspraxis Im Folgenden werden einige Praxisbeispiele einer erfolgreichen Wärmebehandlungsintegration in die Fertigung vorgestellt. Das erste Beispiel zeigt eine fertigungsintegriertes Wärmebehandlungsanlagensystem auf Basis ModulTherm® zum Einsatzhärten von verzahnten Bauteilen eines Automatikgetriebes (Bild 8).

©FVA

www.GETPRO.de

9/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Bild 8. Layout eines fertigungsintegrierten Wärmebehandlungssystems zum Einsatzhärten von Automatik-Getriebebauteilen In diesem Beispiel werden die Grünteile aus der Weichfertigung mit Bodenrollern an die Wärmebehandlungsanlage transportiert und dort per Hand, teilweise aber auch automatisiert, auf Chargenträger geladen. Die beladenen Chargenträger werden sequentiell an der Aufgabeposition in die Wärmebehandlungsanlage eingeschleust. Mit einem Scanner werden die Chargendaten auf der Laufkarte des Chargenloses eingescannt und anhand der Teilenummer wird das entsprechende (bauteilzugeordnete) Rezept aus dem Rezeptespeicher der Anlage in die Steuerung geladen. Nun laufen die Chargen nach dem FIFO-Prinzip zunächst durch eine Waschmaschine, einen Voroxidationsofen und werden danach zum Einschleusplatz der ModulTerm®-Anlage gefördert. Von dort übernimmt das schienengebundene Transport-Shuttle die Beladung der Charge in eine der 6 Behandlungskammern. Nach erfolgter Aufkohlung fährt das Transport-Shuttle vor die Behandlungskammer, die Charge wird im Abschreckmodul des Transport-Shuttles abgeschreckt. Die Abschreckkammer ist auf 20bar Helium ausgelegt, um bei massiven Bauteilen die erforderliche Kernhärte zu erzielen. Kleinere Bauteile, wie Planeten- und Sonnenräder werden mit niedrigerem Gasdruck bzw. – geschwindigkeit abgeschreckt, um den Verzug zu minimieren. Aus dem gleichen Grund wird bei mehrlagiger Chargierung die Gasströmung während des Abschreckprozesses reversiert. Nach der Abschreckung werden die Chargen über einen Kettenförderer zum Anlassofen gebracht. Nach dem Anlassen und Abkühlen werden die Chargen am Ausgabeplatz zur Entnahme aus dem Wärmebehandlungssystem bereitgestellt. Dort werden die Bauteile vom Chargiergestell per Hand/automatisiert in bereitgestellte Bodenroller geladen und in den Bereich der Hartbearbeitung (Hartdrehen, Schleifen) gebracht. Die Gesamtanlage arbeitet nach einem strikten Taktkonzept, abgestimmt auf die jeweilige Behandlungsdauer. Bis auf die 3Platz Stauförderer im Bereich der Aufgabe- und Ausschleusposition befinden sich keine Puffermöglichkeiten im System. Der Vorteil dieses recht starren Systems ist ein geringer Platzbedarf. Die Chargiergestelle rotieren nur innerhalb des Wärmbehandlungsbereichs. Das nächste Praxisbeispiel beschreibt ein integriertes Wärmebehandlungssystem auf Basis ModulTherm® zum Einsatzhärten von Komponenten eines Schalt- und Doppelkupplungsgetriebes im Werk eines Automobilherstellers (Bild 9). Als Bauteilwerkstoff wird der relativ gut legierte Einsatzstahl 27MnCr5 verwendet, sodass eine Stickstoffabschreckung mit max. 20 bar ausreicht, um die geforderte Kernhärte zu erzielen. Im Unterschied zum ersten Beispiel werden hier die Grünteile im Weichbearbeitungsbereich vollautomatisiert auf Chargenträger geladen und dann zur Wärmebehandlungsanlage gebracht. Wellen werden dabei stehend ©FVA

www.GETPRO.de

10/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

und Zahnräder mehrlagig, liegend chargiert. Lediglich Zahnkränze werden hängend chargiert, wobei die Gestaltung der Chargenträger auch bei diesen Bauteilen eine automatisiere Beladung zulässt (Bild 10).

Bild 9. Fertigungsintegriertes Wärmebehandlungssystem zum Einsatzhärten von Schalt- und Doppelkupplungsgetrieben Das Wärmebehandlungssystem verfügt über einen Chargenpuffer mit 72 Chargenplätzen, angeordnet in 3 Ebenen. Aus dem Chargenspeicher können die benötigten Fertigungslose frei abgerufen werden, was eine hohe Produktionsflexibilität sicherstellt. Um einen optimalen Nutzungsgrad mit der Anlage zu erzielen, werden alle Bauteile trotz teilweise unterschiedlicher Einsatzhärtetiefe mit der gleichen Prozessdauer und damit mit konstantem Anlagentakt gefahren. Die unterschiedliche CHD wird dabei durch entsprechende Anpassung der Aufheizdauer im Rezept korrigiert.

Bild 10. Automatisiert chargierte Zahnkränze In einem weiteren Praxisbeispiel für fertigungsintegrierte Wärmebehandlung werden Achsantriebsrädern von Doppelkupplungsgetrieben vollautomatisiert einsatzgehärtet (Bild 11). Dabei kommen mehrere verkettete Anlagen des Wärmebehandlungsmoduls SyncroTherm® zur Anwendung. Das Besondere dieses Anlagensystems ist die Verknüpfung von Hochtemperatur-Niederdruckaufkohlungstechnologie mit einer Härtepresse. Die Grünteile werden in auf Bodenrollern gestapelten Körben an die Anlage gebracht. In einer Ladezelle belädt ein Mani©FVA

www.GETPRO.de

11/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

pulator jeweils 4 Bauteile auf einen metallischen Werkstückträger. Der Werkstückträger wird mit einem Chargierwagen zur nächsten freien SyncroTherm®-Anlage transportiert.

Bild 11. Vollautomatisierte Wärmebehandlungsanlage zum Hochtemperatur-Niederdruckaufkohlen und Presshärten von Achsantriebsrädern Dort wird der Werkstückträger in die Anlage eingeschleust, in einer der 6 Heizzonen auf 1000°C aufgeheizt und dann auf eine Aufkohlungstiefe von 0,5+0,3 mm aufgekohlt. Die Prozessdauer beträgt 60 min, d.h. bei 6 Heizzonen in einer SyncroTherm®-Anlage wird alle 10 min ein Werkstückträger zur Verfügung gestellt. Nach dem Aufkohlen werden die Bauteile ohne Abschreckung ausgeschleust und in einer Isolationskammer auf einem Transportwagen mit hoher Geschwindigkeit zur Ladestation der Härtepresse gebracht. Dort greift ein Manipulator je 4 Achsantriebsräder und legt die Räder in die Ölabschreckform. Der leere, heiße Werkstückträger wird zur Beladestation befördert und dort mit 4 neuen Rädern beladen. Vor dem Beladen wird der metallische Werkstückträger automatisch gewendet, um einer Durchbiegung des Trägers durch den Hochtemperaturprozess entgegenzuwirken. Nach dem Abschrecken der aufgekohlten Räder in der Presse wird das Abschrecköl abgeschleudert, die Räder werden gewaschen und danach in den bereitgestellten Stapelkörben durch einen Anlassofen transportiert. Nach dem Anlassen werden die Körbe in der Entladezelle auf Bodenrollern abgelegt und diese zur Hartbearbeitung weitergeführt. Ein weiteres Praxisbeispiel beschreibt die Fertigung von Achsantriebsrädern in einer Fertigungsinsel (Bild 12). Die Bauteile aus 20MnCr 5 werden hochtemperatur-niederdruckaufgekohlt und gasabgeschreckt. In der Fertigungszelle werden vorgedrehte Schmiederohlinge angeliefert. Nach dem Wälzfräsen werden die Räder auf Werkstückträger aus CFC geladen und in einer SyncroTherm®-Anlage einsatzgehärtet und im Anschluss daran angelassen. Nach der Wärmebehandlung werden die Räder wieder vereinzelt, hartgedreht und verzahnungsgeschliffen und verlassen danach die Fertigungsinsel in Richtung Montage. 6. Zusammenfassung Um Hochleistungsgetriebebauteile kostengünstig herzustellen, besteht immer häufiger die Forderung, Wärmebehandlungsanlagen in den Gesamtfertigungsprozess zu integrieren um damit zusätzliche Kosten für Logistik, d.h. Transport und Pufferung von Bauteilen zu vermeiden. Mittlerweile gibt es vakuumgestützte Wärmebehandlungsprozesse und entsprechende Anlagensysteme, die dies ermöglichen. Je nach Produktionsstrategie des Getriebeherstellers ©FVA

www.GETPRO.de

12/13

GETPRO Kongress 25./26. März 2015

Bild 12. Integration der Wärmebehandlung für Achsantriebsräder auf Basis SyncroTherm® in eine Fertigungsinsel gibt es verschiedene Wärmebehandlungslösungen. Modulare, flexible Anlagensysteme (ModulTherm®) werden zentral zwischen Weich- bzw. Hartbearbeitungsbereich angeordnet und behandeln sämtliche Bauteile aus den Fertigungslinien in sogenannten Großchargen. Mit dieser Lösung liegen mittlerweile langjährige Erfahrungen im Bereich der Großserienfertigung von Getriebekomponenten vor. Alternativ gibt es kompakte, getaktete Anlagensysteme (SyncroTherm®) die dezentral in direkter Nähe der Fertigungslinien platziert werden. Die Anlagen sind dabei entweder in eine Fertigungsinsel oder direkt in eine Fertigungslinie integriert und arbeiten dort im Takt der Fertigungsmaschinen nach dem „One-Piece-Flow“-Prinzip. Dieses Wärmebehandlungskonzept befindet sich derzeit in der Produktionseinführung und besitzt durch die bauteilangepassten Wärmebehandlungsprozesse ein hohes Potential für weitere Kosteneinsparungen im Gesamtfertigungsprozess. Literaturverzeichnis [1] Fenstermann, J.: Ganzheitliche Prozessoptimierung in der Getriebefertigung bei Volkswagen. Tagungsband zur GETPRO, Kongress zur Getriebeproduktion, 11.-12.03.2009, Würzburg, FVA, Frankfurt/M. [2] Ritter, Karl: Successful launch of the flexible heat treatment system ModulTherm. Heat Processing (3), Issue 3, 2005, p.149-151. [3] Sekine, K.: One Piece Flow: Cell Design for Transforming the Production Process. Productive Press, Taylor and Fran cis Group, 2005. [4] Heuer, V.; Löser, K.; Ritter, K.; Schmitt, G.: One-Piece-Flow- Integration of case hardening into the manufacturing line. Proceedings of the Int. Conf. on Gears, Oct. 4-6, 2010, Technical University of Munich, Garching, Germany, VDI-Berichte Nr. 2108, 2010, p. 515-526. [5] Heuer, V.; Löser, K.; Leist, T.; Bolton, D.: Enhancing Control of Distortion Trough ´OnePiece-Flow Heat Treatment`. Gear Solutions, Issue July 2013.

©FVA

www.GETPRO.de

13/13