Bauteile, die zyklisch wechselnden Belastungen ausgesetzt sind, weisen in der Regel eine deutlich geringere zulässige Spannung auf als unter statischer Belastung. Ursache hierfür sind mikroskopische Schädigungen im Werkstoffgefüge, insbesondere an der Oberfläche, die zur Rissbildung führen. Unter wiederholter Belastung wachsen diese Risse schrittweise, bis es schließlich zu einem Ermüdungsbruch kommt. Um die Rissbildung zu reduzieren und die Lebensdauer von Bauteilen zu erhöhen, werden gezielt mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren eingesetzt.
Das Festwalzen ist ein Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung, insbesondere für rotationssymmetrische Bauteile wie Getriebewellen oder Kurbelwellen. Mechanische Festwalzwerkzeuge können auf konventionellen Drehmaschinen eingesetzt werden und verformen die Werkstückoberfläche mithilfe einer Walzrolle plastisch. Dabei treten drei wesentliche Effekte auf:
- Glättung der Oberfläche mit reduzierter Kerbwirkung
- Kaltverfestigung des oberflächennahen Werkstoffs
- Einbringen von Druckeigenspannungen
Diese kombinierten Effekte hemmen die Rissinitiierung und das Risswachstum und können die Lebensdauer festgewalzter Bauteile erheblich steigern.
Eine zentrale Herausforderung bei der Prozessauslegung des Festwalzens ist die Wahl der geeigneten Walzkraft. Die resultierende plastische Verformung hängt von der im Kontakt wirkenden Spannung ab, welche maßgeblich durch die Größe der Kontaktfläche zwischen Walzrolle und Werkstück bestimmt wird. Diese Kontaktfläche variiert stark in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie, beispielsweise bei Radien, Freistichen oder Querschnittsänderungen. Bei gleicher Walzkraft können daher sehr unterschiedliche Kontaktspannungen und damit unterschiedliche Prozesseffekte auftreten.
Zusätzlich beeinflussen Fertigungstoleranzen, die Durchbiegung des Werkstücks sowie ein ungenau eingemessenes Werkzeug die tatsächlich wirkende Walzkraft. In der Praxis führt dies zu einem hohen Einstellaufwand und zu schwankenden Prozessergebnissen.
Um diese Problematik zu adressieren, wurde im Forschungsprojekt KontROLL eine geometrieabhängige Regelung der Walzkraft für den Festwalzprozess entwickelt. Ziel war es, unabhängig von der Werkstückgeometrie und äußeren Störungen ein konstantes Prozessergebnis zu erzielen. Grundlage hierfür ist ein sensorisches Festwalzwerkzeug, das die im Prozess wirkende Walzkraft erfasst. Ergänzend dazu wurde im Projekt ein auf FE-Simulationen basierendes Neuronales Netz entwickelt, das die notwendige Soll-Walzkraft für eine gegebene Werkstückgeometrie vorhersagt. Während der Bearbeitung wurde die Walzkraft dann kontinuierlich überwacht und über Achsoffsets geregelt, sodass die Soll-Walzkraft präzise eingehalten werden konnte.
Die Versuche haben gezeigt, dass die geometrieabhängige Walzkraftregelung die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Walzkraft deutlich reduziert. Darüber hinaus konnte die Streuung der resultierenden Druckeigenspannungen im Vergleich zu einem Festwalzprozess mit konstanter Walzkraft um 56 % verringert werden. Damit ermöglicht der entwickelte Regelungsansatz eine reproduzierbare, robuste und geometrieunabhängige Einstellung des Festwalzprozesses und leistet einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Bauteilqualität und Lebensdauer.
Kontakt:
Für weitere Informationen stehen Ihnen Jan Berlin und Paul Krombach, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, per E-Mail an berlin@ifw.uni-hannover.de oder krombach@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.
