Festwalzen steigert die Lebensdauer von dynamisch hochbelasteten Bauteilen, ohne dass der Werkstoff oder die Werkstückgeometrie angepasst werden muss. Die Lebensdauersteigerung wird dabei durch eine gezielte plastische Verformung der Werkstückoberfläche erreicht, wodurch eine Änderung der Eigenschaften der Werkstückrandzone erreicht wird. Die plastische Verformung, und damit die Lebensdauersteigerung, ist in hohem Maße von der beim Festwalzen wirkenden Walzkraft abhängig. Um diese gezielt einstellen und den Prozess überwachen zu können, wurde im ZIM-Kooperationsprojekt „ProMeFe“, ein sensorisches Festwalzwerkzeug entwickelt. Die Projektpartner MCU GmbH & Co. KG und das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover haben damit, mit Unterstützung durch die ECOROLL AG Werkzeugtechnik, einen wichtigen Schritt zur Steigerung der Prozesssicherheit beim Festwalzen getan.
Die plastische Verformung der Werkstückoberfläche wird beim mechanischen Festwalzen erreicht, indem eine Walzrolle, über im Walzwerkzeug integrierte Federn, auf die Oberfläche des Werkstücks gedrückt wird. Die Federn werden dadurch gestaucht und es stellt sich eine vom Federweg und von der Federsteifigkeit abhängige Walzkraft ein. Die Bauteiloberfläche wird in Folge der Walzkrafteinwirkung plastisch verformt und geglättet. Dies führt zu einer Reduzierung der Kerbwirkung, einer Kaltverfestigung der Randzone und zu Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich. Zusammen führen diese Effekte zur Steigerung der Bauteillebensdauer. Damit ist das Verfahren beispielsweise für eine Anwendung in der Automobilindustrie und der Luftfahrt interessant. Die Vorteile für den Anwender sind dabei eine höhere ertragbare dynamische Last der durch festwalzen bearbeiteten Bauteile, bei gleichem Materialeinsatz und identischer Geometrie.
Dem Festwalzen ist in der Regel eine drehende Bearbeitung vorgelagert, bei der die Kontur des Werkstücks erzeugt wird. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kann dabei der resultierende Werkstückdurchmesser von Werkstück zu Werkstück variieren. Zusätzlich kann es beim Festwalzen in Folge der Walzkraft zur Durchbiegung des Werkstücks kommen. Dies hat zur Folge, dass sich die resultierende Einfederung der Federn des Walzwerkzeugs ungewollt ändert, wodurch sich auch die resultierende Walzkraft ändert. Um solche Abweichungen der Walzkraft vom Sollwert zu minimieren und damit die Prozesssicherheit zu steigern, wurde eine Walzkraftregelung entwickelt. Diese passt die Zustellung des Werkzeugs über Offsets der Werkzeugmaschinenachsen im Prozess an, so dass die Walzkraft konstant bleibt. Projektbearbeiter Jan Berlin ist mit dem Ergebnis zufrieden: „Mit der Walzkraftregelung ist es uns möglich, die Walzkraft auf plus minus 15 N konstant zu halten“. Es wurde außerdem untersucht, wie sich Fehler, in Form von Beschädigungen der Walzrolle oder des Werkstücks, auf die Sensorik des Werkzeugs auswirken. Ziel war es eine Prozessüberwachung zu realisieren. Es konnte gezeigt werden, dass bereits Beschädigungen der Bauteiloberfläche in der Größenordnung von 50 µm mit dem sensorischen Werkzeug im Prozess erkannt werden können.
Festwalzen war bisher ein von vielen manuellen Arbeitsschritten geprägter Prozess, da digitale Prozessinformationen fehlten. Das Potential sensorischer Festwalzwerkzeuge, sowie die damit einhergehenden Möglichkeiten der Überwachung und Regelung, sind hoch. In Zukunft soll untersuchen werden, wie die entwickelte Regelung erweitert werden kann, um die für die Lebensdauer wichtigen Eigenspannungen im Werkstoff, noch präziser einstellen zu können.
Wir bedanken uns für die im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) zur Verfügung gestellten Mittel sowie die Betreuung durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF).
