Härten in Serie

von Dr. Hans-Georg Bittner, WTH − Wärmetechnik Vertriebsgesellschaft mbH

Dr. Hans-Georg Bittner entwickelte die erste vollautomatische Härteanlage für Sägeblätter. Diese Maschine der WTH reproduziert Blatt für Blatt höchste Qualität – und schont die Umwelt.

Seit Jahren lassen sich große Flachprodukte wie Sägeblätter mit wassergekühlten Metallquetten verzugsarm härten. Die Anforderungen des Marktes haben es allerdings notwendig gemacht, dieses Verfahren zu optimieren. Größere Abmessungen und geringere Dicken müssen in gleichbleibend hoher Qualität gehärtet werden. Zudem hat sich das Härtespektrum hin zu niedrig legierten Stählen verschoben. Durch eine Weiterentwicklung der Quettentechnik ist es gelungen, umweltfreundlich mit höchster Produktqualität zu härten.

Das verbesserte Verfahren fußt auf der Kombination eines Rollenofenverfahrens mit optimierten Schnellhärtequetten. Dabei wird das Sägeblatt im Rollenofen auf Temperaturen von 800 bis 1200 Grad Celsius erhitzt und anschließend in den wassergekühlten Schnellhärtequetten mit vordefiniertem Geschwindigkeitsverlauf abgekühlt. Die Metallteile verziehen sich bei diesem Verfahren nicht und Randentkohlungs- sowie Randoxidationserscheinungen treten nur in äußerst geringem Maße auf.

Der Sprung von der Hand zur Maschine

Bei diesem Wärmebehandlungs-verfahren geht es nicht allein um die Härte des Gutes: Das angestrebte Gefüge soll sich möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Sägeblatts verteilen. Zudem ging es uns darum, den beim Härteprozess von hoch temperierten Metallen entscheidenden Faktor Zeit identisch reproduzierbar zu machen. Denn im Hochtemperaturbereich haben ein paar Sekunden bereits einen erheblichen Einfluss auf Qualität, Gefüge und Verzug des Werkstücks. In der Härtequettenanlage werden die Sägeblätter sekundentreu behandelt und haben daher exakt dieselben Charakteristika und in der Serie dieselbe Härtequalität.

Uns ist mit dieser Anlage der große Sprung vom händischen zum voll automatisierten Härten gelungen. Aus dem mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess ist eine einzige Maschine geworden. Diese bringt darüber hinaus den Vorteil, dass vollständig auf umweltbelastende Abschreckmedien wie Öl oder hochgiftiges Zyanid verzichtet wird. Außerdem tendiert der Ausschuss bei diesem Verfahren gegen null.

Zeittreue war die Herausforderung

Eine der wesentlichen Herausforderungen, die bei der Entwicklung gemeistert wurden, war, den Druck der Quettenplatten auf den Rohling zeitabhängig zu steuern. Damit kann auf eine Phase hohen Druckes eine Herabsetzung des Druckes folgen. Gerade diese Druckabsenkung führt dazu, dass die Rohlinge selbst bei ungünstigsten Abmessungsverhältnissen verzugsarm behandelt werden können – und zwar in identischer Qualität.

Einen weiteren Knackpunkt bei der Entwicklung stellte der Übergang vom Schutzgasofen zum offenen Ofen, dem Rollenofen, dar. Die Kohlenstoff-verarmungsschicht im offenen Verfahren darf nicht zu groß werden. Daher haben wir das Zeitverhalten im offenen Ofen ganz speziell für diese Anwendung entwickelt.

Der Übergang zwischen dem Ofen und der Quettenpresse ist der dritte sensible Bereich der Anlage. Hier muss das 800 bis 1.200 Grad Celsius heiße Werkstück binnen fünf Sekunden über den Schnellabzug in die Presse gespannt werden. Daher ist die Härtequetteneinrichtung als Abkühleinheit mit dem Rollenofen durch den Schnellabzug fest verbunden. Diese Anordnung resultierte aus der Erkenntnis, dass die Eigenschaften des bearbeiteten Rohlings davon abhängen, bei welcher Temperatur und in welcher Geschwindigkeit er die Austenitisierzone des Rollenofens durchläuft.

Härten mit Stahl oder mit Kupfer

Auch das Material, aus dem die Quettenplatten gefertigt sind, spielt eine wesentliche Rolle für die Qualität des wärmebehandelten Werkstückes. Über die Auswahl des Materials entscheiden mehrere Faktoren. Grundsätzlich müssen Wärmestandfestigkeit, thermische Leitfähigkeit und die Bearbeitbarkeit in einem idealen Verhältnis zueinander stehen. Schließlich muss die Quettenplatte mit Kühlkanälen versehen werde. Abhängig von der Art des zu behandelnden Sägeblattes wählen wir zwischen zwei Materialien, die diese Voraussetzungen aufweisen: Stahl und Kupfer.

Bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten, wie zum Beispiel bei Grundkörpern für Hartmetallsägeblätter für Holz, oder sehr hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Abkühlung wird Kupfer eingesetzt. Entwickelt wurde hierzu eine Quettentechnik mit einer speziellen Kupferlegierung, die mit einer ganz neuen Hochgeschwindigkeitskühltechnik ausgerüstet wurde. Diese Kombination ermöglicht es, Materialien in sehr kurzen Zeiten gleichmäßig abzukühlen. Bei Schnellstahl-sägeblättern für Metall, die langsamer abkühlen können, genügt der bislang ausschließlich eingesetzte Stahl. In der aktuellen Anlage verwenden wir beispielsweise gerippte Stahlquettenplatten, können jedoch bei geänderter Anforderung schnell auf Kupferplatten wechseln. Die Anlage erlaubt dadurch eine größere Produktvielfalt.

Automation mit idealen Komponenten

Wie bereits hervorgehoben, ist der große Vorteil dieser Anlage, dass wir vom Beladen über das Erwärmen und Härten bis zum Entladen eine komplett automatisierte Maschine haben. Der wirtschaftliche Betrieb einer solchen vollautomatischen Anlage rechnet sich indes nur dann, wenn sie auf höchst zuverlässigen Komponenten basiert. Als zudem die Frage nach der europaweiten Lieferfähigkeit und den damit erforderlichen Standards aufkam, sind wir auf Bosch Rexroth zugegangen. Hier finden wir das erforderliche Know-how, eine standardisierte Produktvielfalt über die verschiedenen Technologiefelder hinweg sowie die benötigte Zuverlässigkeit.

Nun läuft im gesamten Handlingbereich alles, was sich bewegt, über Rexroth-Komponenten. Im Be- und Entladebereich heben und senken Pneumatikzylinder RTC mit integrierter Führung Vakuumgreifsysteme, um die Sägeblätter der Anlage zuzuführen und abzunehmen. Dabei konnten wir auf die klaren Vorteile des Zylinders RTC zugreifen: hohe Belastbarkeit bei platzsparendem Aufbau sowie Präzision und Wiederholgenauigkeit bei niedrigem Kostenaufwand.

Die gesamte Technik inklusive der Ventilsysteme, der Vakuumkomponenten und der Luftaufbereitung ist aus dem Rexroth-Produktprogramm. Die Tische, die die unbehandelten Sägeblätter durch den Rollenofen fahren, laufen auf Kugellagerschienen. Jeder Acht-Tonnen-Wagen läuft, angetrieben von Rexroth-Servomotoren, auf Profilschienen mit darunterliegenden Zahnsegmenten. Dahinter ziehen Pneumatikzylinder das glühende Werkstück über Rollen mit einem elektromechanischen Linearmodul MKR unter die Presse. Die Quettenplatten selbst werden von einem SPS-gesteuerten Rexroth-Hydraulikaggregat über Zylinder betrieben und liefern uns die benötigte Flexibilität und Wiederholgenauigkeit. So können wir in Stufen Druck auf das heiße Werkstück ausüben: zum Beispiel fünf Sekunden mit 100 bar, zwei Sekunden mit 20 bar.

Auch mithilfe dieser Komponenten ist uns ein Beitrag zu Umweltschutz, gesundheitlich unbedenklichen Arbeitsplätzen, wirtschaftlich optimierter Produktion und Produktqualität gelungen.

Autor:

Dr. Hans-Georg Bittner, Geschäftsführer, WTH − Wärmetechnik Vertriebsgesellschaft mbH

www.wth-wth.de

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