Prozesskette Präzisionsschmieden

Mit dem Aufkommen von Dampfmaschinen und der beginnenden Industrialisierung im 18. Jahrhundert wurden für den Einsatz von Antriebs- und Getriebekomponenten neue Anwendungen erschlossen. Dieses zog einen deutlich erhöhten Bedarf an belastbaren Komponenten nach sich. Dieser Trend ist bis heute ungebrochen. Im modernen Maschinen- und Fahrzeugbau zählen Stirnradverzahnungen mit zu den am häufigsten eingesetzten Konstruktionsteilen. Ein weiteres Beispiel stellt die Nutzung von Kurbelwellen dar. Erste Motoren, wie der atmosphärische Gasmotor von Nikolaus August Otto, kamen 1867 noch ohne eine Kurbelwelle aus. Stattdessen wurde eine Zahnstangenverbindung zwischen Kolben und Schwungrad verwendet.

Nach DIN 8580 versteht man unter dem Begriff „Umformen“ das Fertigen durch bildsames oder plastisches Ändern der Form eines festen Körpers. Hierbei werden sowohl die Masse als auch der Stoffzusammenhalt des zu bearbeiteten Körpers beibehalten. Für die Umformung metallischer Werkstoffe ergänzt SIEGERT diese Definition um die gezielte Beeinflussung der Oberflächen- und Produkteigenschaften durch den Umformvorgang.

Im folgenden Abschnitt werden die auf das Schmiedewerkzeug einwirkenden Beanspruchungsarten erläutert. Schmiedewerkzeuge werden unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt (Bobke T, Randschichtphänomene bei Verschleißvorgängen von Umformwerkzeugen. In: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 5, Grund- und Werkstoffe, Nr. 237, Universität Hannover, 1991). Diese unterteilen sich in thermische, mechanische, tribologische und chemische Beanspruchungen (Doege E and Behrens B-A, Handbuch Umformtechnik, 2010). Im Folgenden Abschnitt werden die einzelnen Belastungsarten näher erläutert.

Hochleistungsbauteile wie Zahnräder, Ritzelwellen oder Kurbelwellen unterliegen im Betrieb einem komplexen Belastungsprofil. Bei miteinander im Eingriff stehenden Verzahnungen kommt es bedingt durch die Zahnnormalkräfte zu drei primären Belastungsarten am Zahn: Zahnfußbiegung, Flankenpressung und Gleitbeanspruchung [Breuer et al. Verknüpfung von Wärmebehandlung und Formgebung beim Präzisionsschmieden von Verzahnungen, 2000]. Diesen kann durch ein gradiertes Eigenschaftsprofil von einer verfestigten Randschicht hin zu einem duktilen Kern entgegengewirkt werden. Deswegen besitzen Technologien der Randschichtverfestigungen durch Härten sowie Vergüten einen hohen Stellenwert in der Zahnradfertigung [Breuer et al. Verknüpfung von Wärmebehandlung und Formgebung beim Präzisionsschmieden von Verzahnungen, 2000].

Aufgabe der Hartfeinbearbeitung ist es, Makrogeometrie (Form, Lage) und Mikrogeometrie (Oberflächenrauheit) der Bauteile in der vorgegebenen Qualität zu erzeugen und dabei die notwendigen Randzoneneigenschaften (Gefüge, Härte und Eigenspannungen) sicherzustellen. Diese Bauteileigenschaften bestimmen in maßgeblicher Weise das Geräuschverhalten, das Tragfähigkeitsverhalten und die Dauerfestigkeit des Fertigteils [Bou94, Esc96, Mar01]. Demnach nimmt die Hartfeinbearbeitung innerhalb der gesamten Prozesskette als letzter qualitätsbestimmender Fertigungsschritt einen besonderen Stellenwert ein.

Die verkürzte Prozesskette des Sonderforschungsbereiches 489 ermöglicht, im Vergleich zur konventionellen Bauteilfertigung in separaten Fertigungsstufen, zum Beispiel durch Schmieden, mechaniche Bearbeitung, Einsatzhärten, Vergüten etc., neben der Einsparung einer Vielzahl von Arbeitschritten und Bauteil-Zwischenlagerungen neue Möglichkeiten zur wirtschaftlichen, ressourcenschonenden und energieeffizienten inline Fertigung von Hochleistungsbauteilen (s. Kap. 1). Diese erfordern neben der Entwicklung neuer Verfahren, Werkzeugkonzepte und Prozessstrategien die Entwicklung einer verfahrensbegleitenden Überwachung einzelner Prozessschritte. Nur durch eine in die Fertigungslinie integrierte Überwachung der qualitätsbestimmenden Prozesse, einer Bauteil-Geometrievermessung und zerstörungsfreien Bauteilprüfung hinsichtlich der mechanisch-technologischen Bauteileigenschaften sowie der Bauteilfehler ist eine qualitätsgesicherte, inline Fertigung mit eng verketteten Prozessen realisierbar. Die unmittelbare Erfassung und objektive Bewertung relevanter Prozessgrößen, der Bauteilgeometrie und Bauteileigenschaften im Prozessablauf sind in einer verkürzten Prozesskette von wesentlicher Bedeutung zur Realisierung einer effizienten Prozessregelung, der Erreichung einer hohen Prozesssicherheit und damit einer Bauteil-Qualitätssicherung in der Fertigungslinie. Weiterhin erfordert eine ganzheitliche Beurteilung der Bauteileigenschaften zur Bewertung der Fertigungsschritte und Bauteilqualität eine Betriebsfestigkeitsprüfung unter angepassten realistischen Betriebsbedingungen.

Der internationale Wettbewerb zwingt produzierende Unternehmen die eingesetzten Fertigungsverfahren ständig durch umfassende technische Bemühungen zu optimieren, um eine Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Produktqualität zu erzielen. Die Entwicklung neuer Technologien allein reicht für eine erfolgreiche Positionierung im globalen Wettbewerb jedoch nicht mehr aus. Vielmehr müssen auch logistische Potenziale erschlossen werden, um die fertigungstechnischen Prozessketten (wie bspw. schmiedetechnische Prozesskette, s. Kap. 1) wirtschaftlich gestalten zu können. Signifikante Verbesserungen können dabei aber nur erzielt werden, wenn der gesamte Herstellungsprozess mit den vorhandenen Wechselwirkungen der einzelnen Teilprozesse untereinander bei der Optimierung berücksichtigt wird. Eine Optimierung einzelner Prozessschritte für sich resultiert hierbei nur in seltensten Fällen in einem Gesamtoptimum. Die Betrachtung der gesamten Prozesskette führt allerdings durch die Komplexität der einzelnen Prozesse und deren Wechselwirkungen zu neuen Herausforderungen.