10
Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von Zahnrädern mit Thermografie und Wirbelstromtechnik Martin BERNARD, Wilfried REIMCHE, Christian SCHEER, Friedrich-Wilhelm BACH, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover Kurzfassung. Die hohen Anforderungen die an Hochleistungsbauteile gestellt werden erfordern prozessbegleitend zunehmend den Einsatz zerstörungsfreier Prüftechniken, um zu einer Qualitätssicherung in der Fertigung zu kommen. Zur Inline-Fehlerprüfung von randzonenvergüteten Bauteilen wurden spezielle Wirbelstrom-Scantechniken und Thermographieverfahren mit kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt und eingesetzt. Entwickelt wurde eine spezielle Wirbelstromsonde zur Einzelzahn-Fehlerprüfung schrägverzahnter Zahnräder und eine an die Bauteilgeometrie angepasste Wirbelstrom- Scantechnik zum Nachweis von Schmiedefehlern, Härte- und Ermüdungsrissen im Stirnflächen-, Wellen- und Zahnkranzbereich. Zur Schadensfrüherkennung unter Betriebsbedingungen wurde eine Wirbelstromtechnik entwickelt und eingesetzt mit der Riss- und Grübchenbildung unter Umlaufbedingungen empfindlich nachgewiesen und in seiner Entwicklung verfolgt werden kann. Als eine neue bildgebende Technologie zur schnellen Fehlerprüfung der Randzone profilierter Bauteile wurde ein Thermographieverfahren mit kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt. Unter optimierten Prüfparametern werden Oberflächenfehler in der Randzone profilierter Bauteile mit einer hohen Fehlerempfindlichkeit und Fehlerauflösung bildhaft in ihrem Verlauf nachgewiesen. 1 Einleitung Hohe Qualitätsanforderungen bezüglich Fehlerfreiheit und beanspruchungsgerechter Materialeigenschaften bei sicherheitsrelevanten hoch belasteten Bauteilen erfordern zur Vermeidung von Ausfällen und kostenintensiven Rückrufaktionen geeignete, problem- angepasste zerstörungsfreie Prüfstrategien. Im Sonderforschungsbereich 489, Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Hochleistungsbauteile, an der Leibniz Universität Hannover werden Hochleistungsbauteile wie Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen durch Präzisionsschmieden, eine prozess- integrierte Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme und eine anschließende Hart- feinbearbeitung in einer verkürzten Prozesskette gefertigt [1]. Zur Einstellung lokaler Bauteil- eigenschaften und Tragfähigkeiten werden hochbeanspruchte Funktionsflächen, wie die Verzahnung, Lagersitze oder Anschlusselemente aus der Schmiedewärme mit einer neu entwickelten Wasser-Luft-Sprühkühlung in einem gesteuerten Düsenfeld abgeschreckt. Dabei ist der Wasser-Luftstrom über der Zeit so zu steuern, dass die gewünschten Randzonen- eigenschaften, wie Randzonen- und Kerngefüge, Eigenspannungsverlauf, Randhärte und Einhärtungstiefe erreicht werden. DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.5.A.3 1

Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von Zahnrädern mit Thermografie und Wirbelstromtechnik

Martin BERNARD, Wilfried REIMCHE, Christian SCHEER, Friedrich-Wilhelm BACH, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

Kurzfassung. Die hohen Anforderungen die an Hochleistungsbauteile gestellt werden erfordern prozessbegleitend zunehmend den Einsatz zerstörungsfreier Prüftechniken, um zu einer Qualitätssicherung in der Fertigung zu kommen. Zur Inline-Fehlerprüfung von randzonenvergüteten Bauteilen wurden spezielle Wirbelstrom-Scantechniken und Thermographieverfahren mit kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt und eingesetzt. Entwickelt wurde eine spezielle Wirbelstromsonde zur Einzelzahn-Fehlerprüfung schrägverzahnter Zahnräder und eine an die Bauteilgeometrie angepasste Wirbelstrom-Scantechnik zum Nachweis von Schmiedefehlern, Härte- und Ermüdungsrissen im Stirnflächen-, Wellen- und Zahnkranzbereich. Zur Schadensfrüherkennung unter Betriebsbedingungen wurde eine Wirbelstromtechnik entwickelt und eingesetzt mit der Riss- und Grübchenbildung unter Umlaufbedingungen empfindlich nachgewiesen und in seiner Entwicklung verfolgt werden kann. Als eine neue bildgebende Technologie zur schnellen Fehlerprüfung der Randzone profilierter Bauteile wurde ein Thermographieverfahren mit kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt. Unter optimierten Prüfparametern werden Oberflächenfehler in der Randzone profilierter Bauteile mit einer hohen Fehlerempfindlichkeit und Fehlerauflösung bildhaft in ihrem Verlauf nachgewiesen.

1 Einleitung

Hohe Qualitätsanforderungen bezüglich Fehlerfreiheit und beanspruchungsgerechter Materialeigenschaften bei sicherheitsrelevanten hoch belasteten Bauteilen erfordern zur Vermeidung von Ausfällen und kostenintensiven Rückrufaktionen geeignete, problem-angepasste zerstörungsfreie Prüfstrategien. Im Sonderforschungsbereich 489, Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Hochleistungsbauteile, an der Leibniz Universität Hannover werden Hochleistungsbauteile wie Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen durch Präzisionsschmieden, eine prozess-integrierte Wärmebehandlung aus der Schmiedewärme und eine anschließende Hart-feinbearbeitung in einer verkürzten Prozesskette gefertigt [1]. Zur Einstellung lokaler Bauteil-eigenschaften und Tragfähigkeiten werden hochbeanspruchte Funktionsflächen, wie die Verzahnung, Lagersitze oder Anschlusselemente aus der Schmiedewärme mit einer neu entwickelten Wasser-Luft-Sprühkühlung in einem gesteuerten Düsenfeld abgeschreckt. Dabei ist der Wasser-Luftstrom über der Zeit so zu steuern, dass die gewünschten Randzonen-eigenschaften, wie Randzonen- und Kerngefüge, Eigenspannungsverlauf, Randhärte und Einhärtungstiefe erreicht werden.

DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.5.A.3

1

Page 2: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Abweichungen von den Prozessparametern oder Unregelmäßigkeiten im Prozessablauf können dabei zu Fehlstellen in der Randzone wie Zundereinschlüsse und Überschmiedungen beim Präzisionsschmieden, Härterisse infolge der Abschreckwirkung bei der Wärme-behandlung oder Schleifrisse bei der Hartfeinbearbeitung führen. Fehlstellen in der Randzone von Hochleistungsbauteilen sind in einer Fertigungslinie möglichst frühzeitig zu erkennen, um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt und damit zum Bauteilversagen führen. Zur Inline-Bauteil-Fehlerprüfung kommen ausschließlich zerstörungsfreie, robuste Prüf-techniken zum Einsatz, die in den Prozessablauf integrierbar und unter Prozessbedingungen eine schnelle, empfindliche Fehlererkennung ermöglichen. Eine geeignete Technik zur Fehler-prüfung der Randzone von Bauteilen mit elektrisch leitfähigen und ferromagnetischen Werkstoffeigenschaften ist die Wirbelstromtechnik. Die Erfassung feiner Anrisse in der Bauteiloberfläche erfordert die Entwicklung geeigneter Wirbelstromsonden mit einer hohen lokalen Auflösung und Fehlerempfindlichkeit, sowie die Realisierung einer schnellen Prüftechnik in Scantechnik, um relevante profilierte Bauteil-Oberflächenbereiche auf Fehler-freiheit zu prüfen. Eine neue Technologie zur flächigen Oberflächen-Fehlerprüfung profilierter Bauteile mit elektrisch leitfähigen und ferromagnetischen Werkstoffeigenschaften ist die Thermographie nach einer hochfrequenten induktiven Anregung der Bauteilrandzone [2-5, 7]. Dieses ist ein bildgebendes Verfahren was bei kurzzeitiger Anregung sehr schnell Informationen über die Ausbildung und Verteilung von Randzonendefekten in der Fläche liefert. Ähnlich wie die Wirbelstromprüfung basiert auch diese Technik auf der induktiven Anregung hochfrequenter Wirbelströme und von Ummagnetisierungsvorgängen in der Bauteilrandzone. Defekte im Oberflächenbereich der Bauteile führen zu einer Störung der Wirbelstromverteilung in der Randzone in deren Folge es zu erhöhten Wirbelstromverlusten und einer lokalen Temperatur-erhöhung im Defektbereich kommt. Die kurzzeitige Temperaturerhöhung im Defektbereich kann mit einer Thermographiekamera aufgenommen und über Bildanalyse zur schnellen Fehlererkennung und Fehlerbeschreibung genutzt werden [6]. Zur Entwicklung dieser Technologie werden Grundlagenuntersuchungen durchgeführt und erste Ergebnisse zur Fehlerempfindlichkeit und zum Auflösungsvermögen an relevanten Hochleistungsbauteilen mit natürlichen Fehlern gewonnen.

2 Wirbelstromtechnik zur Bauteil Fehlerprüfung

Eine geeignete Prüftechnik zur Realisierung einer Bauteil Fehlerprüfung ist die Wirbelstromtechnik. Das Messprinzip der Wirbelstromtechnik basiert auf der Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, dem Primärfeld, in einer Senderspule durch einen mittel- bis hochfrequenten Wechselstrom. Bedingt durch dieses magnetische Wechselfeld werden in elektrisch leitfähigen Werkstoffen entsprechend dem Induktionsgesetz Spannungen induziert die zur Ausbildung einer Wirbelstromverteilung im Prüfkörper führen. Dabei ist die Ausbildung und Verteilung der Wirbelströme im Prüfkörper abhängig von der Spulengeometrie, den Prüfparametern und den physikalischen Werkstoffeigenschaften des Bauteils. Ähnlich wie in der Senderspule wird durch den Wechselstrom der Wirbelstromverteilung im Bauteil ein Sekundärfeld generiert, das dem Primärfeld entgegenwirkt. Die Wirkung des Sekundärfeldes als Messeffekt kann als Gegeninduktion über die Erregerspule oder zusätzliche Mess- oder Empfängerspule erfasst werden. Fehlstellen in der Bauteil-Randzone, wie Risse, Poren oder Einschlüsse führen zu einer Störung der Wirbelstromverteilung und werden über Änderungen im Sekundärfeld nachgewiesen.

2

Page 3: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Bild 1: Messprinzip der Wirbelstromtechnik zur Fehlerprüfung

2.1 Fehlerprüfung im Verzahnungsbereich

Beim Präzisionsschmieden von Hochleistungsbauteilen in einer Prozesskette, wie Zahnräder oder Ritzelwellen, kann es bei Abweichungen von Parametern im Prozessablauf zu Fehlstellen im Verzahnungsbereich durch Schmiedefehler, Härterisse oder Schleifrisse kommen. Zur empfindlichen Fehlerprüfung im Zahnfuß- und Zahnflankenbereich ins-besondere schräg verzahnter Zahnräder wurde eine dem Zahnprofil angepasste Differenz-sonde entwickelt die einen Zahn umfasst, wodurch Profilabweichungen und Kanteneffekte weitgehend kompensiert sind.

Bild 2: Wirbelstrom-Fehlerprüfung im Verzahnungsbereich mit einer

dem Zahnprofil angepassten Differenzsonde

Die Wirbelstrom-Differenzsonde zur Fehlerprüfung im Verzahnungsbereich wird im Prüfzyklus in der Zahnlücke über die Zahnbreite verfahren. Bei fehlerfreien Zähnen ergibt sich ein charakteristischer Signalverlauf über der Zahnbreite, der sich von Zahn zu Zahn wiederholt. Eine Fehlerstelle im Verzahnungsbereich führt zu einer Verstimmung des Sondensystems im Vorlauf, bei der Überfassung und im Nachlauf des Sondensystem zur Fehlerposition, Sondenstellung a, b, c, Bild 2. Anhand des Wirbelstrom-Fehleranteils können über die Zahnnummer und die Zahnbreitenposition Aussagen über die Fehlerposition im Verzahnungsbereich getroffen werden.

3

Page 4: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

2.2 Überwachung und frühzeitige Fehlererkennung im Verzahnungsbereich unter Betriebsbeanspruchung

Eine abschließende Qualitätsprüfung von Hochleistungsbauteilen wie Zahnräder oder Ritzelwellen zur Bewertung der Betriebsfestigkeit erfolgt unter relevanten Betriebs- und Belastungsbedingungen in einem Verzahnungsprüfstand unter umlaufender Belastung. Hierzu wurde ein Verzahnungsprüfstand mit zwei Getrieben für schräg verzahnte Zahnradsätze entwickelt und aufgebaut. Die beiden Radsätze werden über die Wellen gegeneinander verspannt und die Verzahnung im Umlauf unter Belastung auf Flankentragfähigkeit und Zahnfußfestigkeit geprüft. Neben der Dauerfestigkeit und dem Bauteilversagen sind dabei Informationen über eine frühzeitige Schadenserkennung und Verfolgung der Schadens-entwicklung unter hohen Betriebsbeanspruchungen von Interesse, um das Bauteilverhalten im Schadensfall hinsichtlich der Restlebensdauer besser beurteilen zu können.

Bild 3: Getriebeprüfstand zur Verzahnungsprüfung schrägverzahnter Zahnräder unter umlaufender Belastung

Zur frühzeitigen Fehlererkennung, wie einer Rissinitiierung im Zahnfuß oder Grübchen-ausbildung im Zahnflankenbereich, wurde eine an die Verzahnung angepasste Wirbelstrom-sensorik in Absolut- und T-Anordnung entwickelt und zur Verzahnungsprüfung eingesetzt. Diese ermöglicht eine Überwachung der Verzahnung und des Zahnrades und empfindliche Fehlererkennung unter hohen Beanspruchungen und relevanten Betriebsbedingungen.

4

Page 5: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Bild 4: Online Fehlerprüfung und Fehlerklassifizierung im Verzahnungs-

bereich unter Betriebsbedingungen

Der Wirbelstromsensor ist so abgestimmt, dass zum einem der Unrundlauf der Verzahnung und zum anderen Informationen der Einzelzähne im Signal erfasst werden. Hohe Übertragungsmomente der Radsätze führen auch zu hohen Belastungsspannungen im Bereich der Zahnrad-Wellenverbindung. Dabei kann es ausgehend von einer eingebrachten Keilnut zu einem Anriss im Nabenbereich des Zahnrades kommen. Dieses führt mit zunehmendem Rissfortschritt zu einem stärkeren Unrundlauf des Zahnrades und der Verzahnung und ist anhand der Zunahme der Wirbelstromamplitude über einer Wellen-umdrehung nachweisbar. Ein Anriss im Zahnfußbereich eines Einzelzahnes führt lokal zu einer Störung der Wirbelstrom- und Feldverteilung und ist unter Umlaufbelastung anhand der Änderung der Wirbelstromsignalamplitude mit zunehmendem Rissfortschritt im geschädigten Verzahnungs-bereich nachweisbar. Im Gegensatz zur lokalen Schädigung der Verzahnung durch einen Anriss im Vorstadium zum Zahnbruch tritt Grübchen- oder Pittingbildung in Form von Ausbrüchen in Folge hoher Flächenpressungen im Zahnflankenbereich meist als ein über mehrere Zähne verteilter Schaden auf. Auch diese im Anfangsstadium sehr kleinen Ausbrüche in der Oberflächen-topographie der Verzahnung sind von Einfluss auf die Wirbelstrom- und Feldverteilung insbesondere bei hohen Prüffrequenzen und geringen Eindringtiefen. Aufgrund der unregel-mäßigen Ausbildung und Verteilung der Ausbrüche in den Zahnflanken führt dieses mit zunehmender Grübchenbildung zu starken lokalen Feldverzerrungen und damit zu einer unscharfen Abbildung der geschädigten Einzelzähne im Wirbelstrom-Sensorsignal über einer Wellenumdrehung.

5

Page 6: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

3 Thermographie mit induktiver Anregung zur schnellen Bauteil- Fehlerprüfung

An eine Bauteil- Fehlerprüfung zur Prozessüberwachung hinsichtlich einer Qualitätssicherung in einer Prozesskette werden hohe Anforderungen an das Fehlernachweisvermögen und die Prüfgeschwindigkeit im Zusammenhang mit dem Prozesstakt gestellt. Bei der Fertigung von Hochleistungsbauteilen in einer Prozesskette Präzisionsschmieden mit integrierter Wärme-behandlung und anschließender Hartfeinbearbeitung sind Oberflächenfehler wie Schmiede-fehler, Härterisse oder Schleifrisse primär von Bedeutung. Hinsichtlich dieser Anforderungen bietet die Thermographie mit induktiver Anregung neue Möglichkeiten zur schnellen Oberflächen-Fehlerprüfung von Bauteilen. Es ist ein bild-gebendes Verfahren, welches bei kurzzeitiger Anregung sehr schnell Informationen über die Ausbildung und Verteilung von Randzonendefekten in der Fläche liefern kann. Zur Entwicklung dieser Technologie und Qualifizierung für den prozessintegrierten Einsatz in der Prozesskette Präzisionsschmieden wurden Grundlagenuntersuchungen durchgeführt und erste Ergebnisse zur Fehlerempfindlichkeit und zum Auflösungsvermögen an relevanten Hochleistungsbauteilen mit natürlichen Fehlern gewonnen.

Bild 5: Risserkennung bei hochfrequenter induktiver Bauteilanregung

3.1 Versuchsaufbau

Der verwendete Versuchsaubau zum Nachweis von Oberflächendefekten in profilierten Hochleistungsbauteilen mit Thermographie und kurzzeitiger induktiver Anregung ist in Bild 6 aufgezeigt.

Bild 6: Versuchsaufbau zur Bauteil-Oberflächenfehlerprüfung

Thermographie mit induktiver Anregung

6

Page 7: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

4 Nachweis von Anrissen in der Randzone profilierter Hochleistungs-bauteile

Die genannten Wirbelstromtechniken sowie das Thermographieverfahren mit induktiver Anregung wurden im Folgenden unter optimierten Prüfbedingungen zum Nachweis von natürlichen Härte- und Ermüdungsrissen, wie zum Nachweis von Schmiedefehlern in profilierten Hochleistungsbauteilen, eingesetzt.

4.1 Längsriss in Ritzelwelle

Bild 7: Fehlerprüfung Ritzelwellenschaft in Scantechnik

Der von der Stirnfläche der Ritzelwelle ausgehende Längsriss im Wellenschaft ist mit einer Wirbelstrom(WS)-Differenzsonde in einem Scan der Wellen-Oberfläche empfindlich nachweisbar. Anhand der Wirbelstrom-Signalamplituden des Differenzsignals über dem Riss ist erkennbar, dass die Risstiefe zum Rissauslauf hin im Bereich der Längsposition von 35mm, geringer ist. Die Anwendung einer Sondentechnik zur flächigen Bauteil-Fehlerprüfung erfordert aufgrund des geringen lokalen Einflussbereichs der Wirbelstromsonde einen hohen Positionier- und Scanaufwand. Der Längsriss in der Ritzelwelle ist unter optimierten Prüfparametern auch mit der Thermo-graphie nach kurzzeitiger hochfrequenter induktiver Anregung in seiner Ausbildung nachweisbar. Bei einem Induktorabstand zum Bauteil von ca. 2 mm erfolgte der Rissnachweis leiternah im Innenbereich der Induktorspule. Zur Erfassung des Risses in seiner Gesamtlänge wurde der Induktor ausgehend vom Wellenanfang in Schrittweiten von 5 mm in Längs-richtung positioniert. Dabei ist auch die sehr feine Ausbildung der Materialtrennung im Rissendenbereich leiternah empfindlich nachweisbar. Eine Messung erfolgt direkt nach einer kurzzeitigen, hochfrequenten, induktiven Anregung der Bauteiloberfläche über 50 ms mit einer Bildfolgezeit von 40 ms. Bei diesen kurzen Anregungs- und Messzeiten sind Thermographieaufnahmen in Zeitabständen von ca. 100 ms realisierbar.

7

Page 8: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

4.2 Verzweigter Härteriss im Wellenschaft

Bild 8: Nachweis verzweigter Härterisse im Wellenschaft

Auch ein in verschiedene Richtungen verzweigter Härteriss im Wellenschaft ist mit einer Wirbelstrom-Multidifferenzsonde und Thermographie nach kurzeitiger, hochfrequenter, induktiver Anregung in seiner Gesamtheit nachweisbar. Dieses bestätigt, dass sowohl die Multidifferenzsonde wie auch das entwickelte Thermographieverfahren in allen Mess-richtungen eine gewisse Nachweisempfindlichkeit für Oberflächenrisse besitzt.

4.3 Schmiedefehler und Ermüdungsrisse in Hochleistungsbauteilen

Bild 9: Nachweis von Rissverläufen in profilierten Bauteilen

Ein Nachweis von Anrissen und deren Verlauf in profilierten Bauteilen mit Wirbelstrom-technik erfordert den Einsatz eines an die Bauteiloberfläche angepassten Sensorarrays oder eines Wirbelstrom-Prüfsystems in Scantechnik mit einer mehrachsigen Sensorführung, womit ein hoher Prüfaufwand verbunden ist. Deutliche Vorteile bietet hier die Anwendung der Thermographie nach hochfrequenter induktiver Anregung unter optimierten Prüfparametern. Bei einem Zahnrad mit einem verzweigten Härteriss im Naben- und Scheibenbereich wird dieser eindeutig in seinem Verlauf in der profilierten Bauteiloberfläche nachgewiesen. Dabei erfolgt die Messung mit Aktivierung und Messzeit über eine Zeitdauer von weniger als 100 ms.

8

Page 9: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

4.4 Schmiedefehler und Ermüdungsrisse in Hochleistungsbauteilen

Bild 10: Nachweis von Schmiedefehlern und Ermüdungsrissen im Verzahnungsbereich

Beim Präzisionsschmieden von Hochleistungsbauteilen kann es bedingt durch Abweichungen in den Prozessbedingungen zu Störungen im Materialfluss und damit zu Schmiedefehlern wie Formfehlern oder Überschmiedungen kommen, durch die Fehlstellen mit Kerbwirkung in das Bauteil eingebracht werden. Weiterhin führen unzureichende Härten, Festigkeiten und Eigenspannungsverteilung im Bauteil und der Randzone unter hohen Betriebs-beanspruchungen zur Werkstoffermüdung und in deren Folge zu Anrissen und Bauteilfehlern. In Bild 10 ist aufgezeigt, dass mit der Wirbelstrom-Scantechnik unter Verwendung einer empfindlichen, hochauflösenden Absolutsonde wie auch mit der induktiv angeregten Thermographie kleine Schmiedefehler und auch sehr feine Ermüdungsrisse im Zahnfuß- und im Randzonenbereich empfindlich nachgewiesen werden können.

5 Zusammenfassung

Bei der Fertigung von Hochleistungsbauteilen in einer Fertigungskette kann es unter abweichenden Prozessparametern bei der Warmformgebung, Wärmebehandlung und Hartfeinbearbeitung zu Anrissen in der Randzone kommen. Diese können unter hohen Beanspruchungen zum Rissfortschritt und anschließendem Bauteilversagen führen und sind daher zu vermeiden. Zur Inline-Prüfung von randzonenvergüteten Bauteilen wie Zahnräder, Ritzelwellen oder Kurbelwellen auf Anrisse im Verzahnungs-, Lager- und Wellenbereich in der Fertigungslinie wurden spezielle Wirbelstrom-Scantechniken und Thermographie-verfahren nach kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt und eingesetzt. Eine empfindliche Fehlerprüfung im Flankenbereich auch schrägverzahnter Zahnräder wird durch eine profilangepasste, Geometrie- und Kanteneffekt kompensierende Differenzsonde erreicht. Die Fehlerprüfung im Lagerbereich und den Wellenübergängen erfolgt mit hochauflösenden Differenz- und Multidifferenzsonden in Scantechnik. Kleine Schmiedefehler und feine Ermüdungsrisse in hochbeanspruchten Bauteilbereichen wie der Verzahnung werden mit einer hochauflösenden Wirbelstrom- Absolutsonde empfindlich nachgewiesen. Hinsichtlich einer hohen Fehlerempfindlichkeit und Fehlerauflösung für Oberflächenfehler in profilierten Bauteilen erfordert die Wirbelstrom-Scantechnik einen hohen Positionier- und Zeitaufwand. Eine an die Verzahnung angepasste Wirbelstromsonde in T- oder Absolutausführung ermöglicht eine empfindliche Überwachung der Verzahnung und

9

Page 10: Nachweis von Härterissen im Verzahnungsbereich von ... · um ihrer Entstehung entgegenzuwirken, da diese unter Bauteilbelastungen zum Rissfortschritt ... Verteilung der Wirbelströme

Erkennung von Anrissen und Grübchenbildung auch unter relevanten Belastungs- und Betriebsbedingungen und damit auch eine Schadensfrüherkennung unter Einsatzbedingungen. Als eine neue bildgebende Technologie zur schnellen Fehlerprüfung der Randzone profilierter Bauteile wurde ein Thermographieverfahren nach kurzzeitiger induktiver Anregung entwickelt. Ähnlich wie bei der Wirbelstromprüfung, wo der Rissnachweis über eine hochfrequente Wirbelstromverteilung im Prüfkörper erfolgt, wird auch bei Frequenzen von mehreren 100kHz eine hochfrequente Wirbelstromausbildung in der Bauteiloberfläche generiert. Anrisse in der Randzone wirken dabei als Störstellen für die Ausbreitung der Wirbelströme. Durch die Anrisse in der Randzone kommt es zu einer erhöhten Wirbelstromdichte und damit zu lokaler Temperaturerhöhung im Bereich der Störstelle, die zum Fehlernachweis genutzt werden kann. Zur Anpassung dieser Technologie an die Prüfaufgabe wurden Grundlagenuntersuchungen über FEM- Simulationsberechnungen und Parameteruntersuchungen durchgeführt. Unter optimierten Prüfparametern werden Oberflächenfehler in der Randzone profilierter Bauteile mit einer hohen Fehlerempfindlichkeit und Fehlerauflösung bildhaft in ihrem Verlauf nachgewiesen. Dabei erfolgt eine Thermographieaufnahme mit Anregung der Bauteiloberfläche und Bildaufnahme in weniger als 100ms. Damit bietet die Thermographie nach hoch-frequenter induktiver Anregung als bildgebendes Verfahren neue Möglichkeiten zur schnellen online Oberflächenprüfung auch profilierter Bauteile in einer Prozesskette oder Fertigungsstraße.

6 Danksagung

Unser Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung dieses Projektes im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 489 „Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Hochleistungsbauteile“

7 Referenzen

[1] Bach, Fr.-W.; Kerber, K.: Sonderforschungsbereich 489 „Prozesskette zur Herstellung präzisionsgeschmiedeter Hochleistungsbauteile“, www.sfb489.uni-hannover.de, 2006

[2] Zweschper, Th.; Dillenz, A.; Mooser, R.: Ultraschallangeregte Thermografie in der industriellen Anwendung. DACH-Jahrestagung Salzburg, 14.-19.Mai 2004

[3] Brauer, N.: Untersuchungen zu aktiven thermographischen Prüfmethoden zur Absicherung von Hochleistungsfertigungsverfahren-Ergebnisse eines BMBF-Projektes. DGZfP-Jahrestagung 2005, Rostock

[4] Herschbach, B.: Industrie-Thermografie, ZfP-Zeitung 68, Dezember 1999 [5] Riegert, G.: Induktions-Lockin-Thermographie. Dissertation, Institut für Kunststofftechnik, Universität

Stuttgart, März 2007 [6] Wallrabe, A.: Nachtsichttechnik. Vieweg Verlag, 1.Auflage, 2001 [7] Carl, V.; Zenzinger, G.: Automatische Rissprüfung mit induktiv angeregter Thermographie, DGZfP-

Jahrestagung Rostock, 2.-4.Mai 2005

10