Getriebewellen mit Turbinen statt Druckluft kugelstrahlen Gastbeitrag der Rösler Oberflächentechnik GmbH

Die für das Verdichtungsstrahlen von Getriebewellen in der Automobilindustrie konzipierte Turbinen-Strahlanlage ermöglicht im Vergleich zu Druckluftstrahlanlagen Energieeinsparungen von 30 Prozent und eine Kapazitätssteigerung von 50 Prozent.
Die für das Verdichtungsstrahlen von Getriebewellen in der Automobilindustrie konzipierte Turbinen-Strahlanlage ermöglicht im Vergleich zu Druckluftstrahlanlagen Energieeinsparungen von 30 Prozent und eine Kapazitätssteigerung von 50 Prozent. (Foto: Rösler Oberflächentechnik GmbH)
10.06.2020 | Redaktion Autoland

Das Verdichtungsstrahlen von Getriebeteilen erfolgt in der Automobilindustrie klassischerweise mit Druckluftstrahlanlagen. Für einen französischen Autobauer konzipierte Rösler eine Anlage, bei der das Strahlmittel durch Turbinen beschleunigt wird. Dadurch wurde nicht nur eine Energieeinsparung von 30 Prozent realisiert, sondern auch die Strahlkapazität um rund 50 Prozent erhöht. Letzteres ermöglicht, dass die vorgegebene Durchsatzmenge von 240 Teilen pro Stunde prozesssicher in einer Anlage bearbeitet werden kann.

Das Verdichtungsstrahlen, auch Shot Peening oder Kugelstrahlen genannt, ist in der Automobilindustrie ein unverzichtbarer Prozess, um die Lebensdauer von Getriebeteilen, beispielsweise Zahnräder und Wellen, zu erhöhen. Denn durch das Shot Peening werden die in Fertigungsprozessen wie Zerspanen, Umformen und Wärmebehandlungen entstandenen Zugspannungen in Druckspannungen umgewandelt. Dabei sind von den Fahrzeugherstellern definierte Bearbeitungsergebnisse reproduzierbar zu erreichen.

Als die Peugeot Citroen S.A. in ein neues Strahlsystem für die Bearbeitung der Verzahnungsbereiche unterschiedlicher Getriebewellen investierte, wurden Druckeigenspannungswerte spezifiziert, die üblicherweise nur mit einer Druckluftstrahlanlage prozesssicher erzielt werden können. Da die vorgegebene Durchsatzmenge von 240 Teilen pro Stunde jedoch einen sehr hohen Druckluftverbrauch und damit hohe Betriebskosten verursachen würde, interessierte sich der französische Automobilhersteller für ein alternatives Anlagenkonzept. Mit dieser Aufgabenstellung wandten sich die Projektverantwortlichen unter anderem an die Rösler Oberflächentechnik, mit der Peugeot bereits seit über zehn Jahren im Bereich Verdichtungsstrahlen zusammenarbeitet.

Verfahrensentwicklung auf Basis von Versuchen

Um auszutesten, ob mit einer Turbinenstrahlanlage das geforderte Bearbeitungsergebnis prozesssicher erreicht werden kann, führte Rösler umfangreiche Strahlversuche im eigenen Testzentrum durch. Auf Basis der röntgendiffraktometrischen Auswertungen wurden die Prozessparameter wie beispielsweise Strahlmittelmenge, Aufprallgeschwindigkeit und Auftreffwinkel des Strahlmittels angepasst.

Die Turbinen-Strahlanlage ist mit 16 Satelliten für die Werkstückaufnahme ausgestattet, die vorgegebene Durchsatzmenge von 240 Teilen pro Stunde wird problemlos erfüllt.
Die Turbinen-Strahlanlage ist mit 16 Satelliten für die Werkstückaufnahme ausgestattet, die vorgegebene Durchsatzmenge von 240 Teilen pro Stunde wird problemlos erfüllt. (Foto: Rösler Oberflächentechnik GmbH)

Maßgeschneidertes Anlagenkonzept für hohen Durchsatz

Parallel zur Verfahrensentwicklung erfolgte die Konzeption der kundenspezifischen Satellitenstrahlanlage RST 200-S16. Sie ist mit zwei horizontal angeordneten Hochleistungs-Strahlturbinen Rutten Gamma 400 mit 22 kW Antriebsleistung ausgestattet. Das spezielle Y-Design der aus Hartmetall gefertigten Wurfschaufeln führt zu einer flüssigen Bewegung des Strahlmittels. In Verbindung mit der optimierten Strahlmittelzuführung resultiert daraus im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen eine bis zu 30 Prozent höhere Abwurfgeschwindigkeit. Dadurch steigt gleichzeitig die Aufprallgeschwindigkeit des Strahlmittels signifikant. Darüber hinaus sorgt der Einsatz eines Strahlbildreglers für eine zielgerichtete Bearbeitung. Dies wird durch die Frequenzumrichter-gesteuerten Antriebe der Rutten Gamma Hochleistungs-Strahlturbinen und der Satelliten unterstützt. Bis zu 30 teilespezifische Strahlprogramme können in der Anlagensteuerung hinterlegt werden. Für einen optimalen Verschleißschutz sorgt, neben der Fertigung der Turbinen aus speziell entwickelten, hochfesten Legierungen, die gegenüber konventionellen eine bis zu 16-fach längere Standzeit ermöglichen, die Ausführung der Anlage. Sie besteht aus Manganstahl und verfügt im Hotspot-Bereich über hochverschleißfeste, austauschbare Schutzplatten aus gehärtetem Werkzeugstahl und in den umliegenden Strahlbereichen aus Manganstahl.

Die auf die Anforderungen von Peugeot ausgelegte RST 200-S16 ermöglicht das Verdichtungsstrahlen von Getriebewellen mit einem Durchmesser bis 250 mm, einer Höhe von maximal 300 mm und einem Gewicht bis fünf Kilogramm. Für den Strahlprozess werden die Werkstücke manuell auf den 16 Satelliten des Drehtisches platziert und in Bereichen, die nicht gestrahlt werden sollen automatisch maskiert. Nach der Be- und Entladestation werden jeweils zwei Teile im 15 Sekundentakt zu den nächsten Prozessschritten transportiert und bearbeitet. So durchlaufen die Werkstücke zwei Strahlpositionen, die mit Hubtüren ausgestattet sind, um einen Strahlmittelaustritt in die angrenzenden Bereiche zu verhindern. In der folgenden Reinigungsstation werden Staub und eventuell auf den Teilen befindliches Strahlmittel durch Abblasen entfernt.

Weiter geht es dann in eine Markierungsstation, in der alle mit korrekten Parametern bearbeiteten Wellen einen Farbpunkt erhalten. Danach folgt die Ent- und erneute Beladung.

Die beiden Hochleistungs-Strahlturbinen Rutten Gamma 400 sind horizontal in den Stahlbereichen platziert. Es können dadurch immer zwei Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden.
Die beiden Hochleistungs-Strahlturbinen Rutten Gamma 400 sind horizontal in den Stahlbereichen platziert. Es können dadurch immer zwei Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden. (Foto: Rösler Oberflächentechnik GmbH)

Zahlreiche Kontrollmechanismen sichern Prozessstabilität

Um die in der Automobilindustrie geforderte, hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten, werden alle wesentlichen Strahlparameter kontinuierlich überwacht und dokumentiert. So wird die Drehung des Satelliten während der Strahlprozesse durch Niederhalter permanent kontrolliert. Um sicherzustellen, dass die Wellen mit der jeweils erforderlichen Strahlmittelmenge bearbeitet werden, erfolgt eine Überwachung der Turbinendrehzahl sowie der Stromaufnahme der Turbine. Für die automatische Strahlmittelnachdosierung wird der Füllstand des Vorratsbehälters ständig durch einen Sensor ermittelt. Bei Unterschreiten des definierten Levels wird nachdosiert. Dies erfolgt in kleinen Mengen, wodurch eine gleichbleibende Korngrößenverteilung des Strahlmittels erreicht wird.

Wartungsfreundlichkeit erhöht Anlagenverfügbarkeit

Großen Wert legten die Konstrukteure bei Rösler auch auf eine gute und schnelle Zugänglichkeit aller wartungs- und servicerelevanten Anlagenteile. So können die Turbinen für Servicearbeiten, beispielsweise Drehen der Wurfschaufeln für die Verwendung der zweiten Seite, durch Türen einfach aus dem Strahlraum geschwenkt werden. Gleichzeitig entsteht dadurch ein großzügiger Zugang in den Strahlbereich, etwa für das Auswechseln der Verschleißschutzplatten. Die Komponenten für Stahlmitteltransport und -aufbereitung sind über eine große Inspektionsbühne erreichbar. All dies trägt dazu bei, Anlagenstillstände zu minimieren und die Anlagenverfügbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Peugeot arbeitet seit über einem halben Jahr mit der Anlage und konnte rund 30 Prozent Energie einsparen sowie die Kapazität um 50 Prozent erhöhen. Aufgrund der überzeugenden Leistungsfähigkeit der RST 200-S16 hat der Automobilhersteller inzwischen die zweite Anlage dieses Typs bestellt.

Rösler Oberflächentechnik GmbH ist als Komplettanbieter internationaler Marktführer bei der Herstellung von Gleitschliff- und Strahlanlagen, Lackier- und Konservierungssystemen, sowie Verfahrensmitteln und Technologie für die rationelle Oberflächenbearbeitung (Entgraten, Entzundern, Entsanden, Polieren, Schleifen…) von Metallen und anderen Werkstoffen. Zur Rösler – Gruppe gehören neben den deutschen Werken in Untermerzbach/Memmelsdorf und Bad Staffelstein/Hausen Niederlassungen in Großbritannien, Frankreich, Italien, den Niederlanden, Belgien, Österreich, Serbien, Schweiz, Spanien, Rumänien, Russland, Brasilien, Indien, China und den USA.

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