Festwalzen ist ein Verfahren, das die Lebensdauer dynamisch belasteter Bauteile steigert, indem eine Walzrolle mit einer definierten Walzkraft auf die Werkstückoberfläche gedrückt wird. Hierbei verformt sich die Oberfläche plastisch, wodurch drei für die Bauteillebensdauer maßgebliche positive Effekte erzielt werden:
1. Glättung der Oberfläche und damit eine verringerte Kerbwirkung
2. Kaltverfestigung des Werkstoffs
3. Einbringen von Druckeigenspannungen in die Werkstückrandzone
Die Effekte führen dazu, dass das Voranschreiten von Mikrorissen gestoppt wird und Ermüdungsbrüche damit verhindert werden. In der Praxis lässt sich mit diesem Vorgehen, beispielsweise bei dynamisch wechselnd belasteten Getriebewellen, die Bauteil-Lebensdauer verlängern.
Vorteile sensorischer Festwalzwerkzeuge
Damit der Festwalzprozess die gewünschten Effekte erzielt, gilt es die Walzkraft korrekt einzustellen. Zu geringe Kräfte führen dazu, dass die gewünschten Effekte nicht erreicht werden. Zu hohe Kräfte wiederum verursachen eine Beschädigung der Werkstückoberfläche. Beides geht mit einer verkürzten Lebensdauer einher.
Prozessregelung beim mechanischen Festwalzen
Den ersten Beitrag zu diesem Thema aus dem Jahr 2022 finden Interessierte HIER. Fragen zum Forschungsprojekt gerne an berlin@ifw.uni-hannover.de oder Fragen zum Werkzeugprototyp an Oliver.Maiss@ecoroll.de
Um die Variation der Walzkraft im Prozess zu reduzieren, verfügen mechanische Festwalzwerkzeuge über Federelemente, die das Werkzeug nachgiebig machen. Die Federelemente gleichen Abweichungen im Prozess aus, die zum Beispiel aus einem geringfügig größeren Werkstückdurchmesser, der Durchbiegung des Werkstücks oder aus einem fehlerhaft eingemessenen Werkzeug resultieren. Die Federelemente reduzieren den Walzkraftfehler dabei im Vergleich zu einem starren Werkzeug deutlich; es verbleibt jedoch ein von der Federsteifigkeit abhängiger Restfehler. Um auch diesen Restfehler zu reduzieren, wurde von der Ecoroll AG Werkzeugtechnik, Celle, und dem IFW – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen im Forschungsprojekt KontRoll eine Walzkraftregelung entwickelt.
Voraussetzung für die Regelung der Walzkraft ist, dass die Walzkraft während des Prozesses bekannt ist. Zum Messen der Walzkraft kommt dabei ein sensorisches Werkzeug zum Einsatz. Mit diesem ‚Sens-Werkzeug‘ wurde die Walzkraftregelung umgesetzt. Vorausgegangene Arbeiten zeigten bereits, dass die Walzkraftregelung den Walzkraftfehler bei der Bearbeitung deutlich senkt. Das Sens-Werkzeug basiert auf einem konventionellen mechanischen Werkzeug der Firma Ecoroll vom Typ EG-45 und verfügt über Blattfederelemente, die dem Werkzeug eine hohe Nachgiebigkeit verleihen. Aufgrund der Blattfedern und der zusätzlichen Sensorik zur Kraftmessung weist das Sens-Werkzeug allerdings einen verhältnismäßig großen Bauraum auf (circa 150x180x70mm). Infolgedessen ist es zum Beispiel nicht möglich, das Sens-Werkzeug in automatische Werkzeugmagazine von Werkzeugmaschinen zu platzieren. Aus diesem Grund arbeitet Ecoroll mit Unterstützung vom IFW an der Entwicklung eines kompakten sensorischen Werkzeugs.
Neuer kompakter Werkzeugprototyp mit strukturintegrierten Federelementen (FIS)
Das bisher im Forschungsprojekt KontRoll genutzte Sens-Werkzeug besteht aus einem Rollenhalter, zwei Blattfederpaketen, einem sensorischen Werkzeughalter sowie den Verbindungselementen zwischen den Komponenten. Die Blattfederpakete realisieren dabei einen Federweg von bis zu 1,5mm bei einer Walzkraft von 4.000N. Die Idee für den neuen Werkzeugprototyp ist, den Werkzeuggrundkörper als eine einzige Komponente zu gestalten, um so den Bauraum zu verkleinern.
Damit der neue Werkzeugprototyp dennoch eine Mindestnachgiebigkeit aufweist, werden Federelemente in der Struktur des Werkzeugs vorgesehen. Diese sind erforderlich, da sich mithilfe der Regelung nur quasistatische Fehler kompensieren lassen. Walzkraftfehler mit besonders hohen Frequenzen werden nicht kompensiert. Solche Fehler resultieren etwa aus einer Unrundheit der Walzrolle oder des Werkstücks. Infolge der Regelung ist die erforderliche Nachgiebigkeit der Federelemente jedoch deutlich geringer als bisher, sodass sich die Federelemente kompakter gestalten lassen.
Der Prototyp für ein solches Werkzeug mit strukturintegrierten Federelementen (SIF-Werkzeug) ist im Aufmacherbild dargestellt. Die Federelemente werden durch vier blattfederartige Strukturen realisiert. Jeweils zwei der Blattfedern sind dabei um 90° zueinander verdreht. Dadurch soll das SIF-Werkzeug eine möglichst gleichmäßige Nachgiebigkeit in den zwei Raumrichtungen der Bearbeitungsebene (x-z-Ebene) aufweisen.
Elektronik integriert
Des Weiteren verfügt der neue Werkzeugprototyp über eine integrierte Elektronik zur Messung der Walzkraft. Im Versuch wurde die Nachgiebigkeit des SIF-Werkzeugs gemessen. Die Nachgiebigkeit bei einer Walzkraft von 4.000N liegt bei circa 0,5mm und somit um den Faktor 3 niedriger als die Nachgiebigkeit des Sens-Werkzeugs. Aufgrund dessen wirken sich Fehler im Prozess beim SIF-Werkzeug stärker auf die resultierende Walzkraft aus.
Bauraum deutlich verkleinert
Der Bauraum des SIF-Werkzeugs konnten im Vergleich zum Sens-Werkzeug deutlich verkleinert werden. Ohne den Adapter für die HSK63 Aufnahme hat das SIF-Werkzeug eine Länge in z-Richtung von 105mm, eine Höhe in x-Richtung von 85mm und eine Breite von 70mm. Das entspricht einer Reduzierung der Länge um 30 Prozent und der Höhe um 63 Prozent. Insbesondere die Werkzeughöhe hat den Einsatz des Sens-Werkzeugs in automatischen Werkzeugmagazinen erschwert. Wegen der geringeren Werkzeughöhe kann der neue Prototyp des SIF-Werkzeugs nun auch in Werkzeugmaschinen mit automatischen Werkzeugwechslern und Werkzeugmagazinen zum Einsatz kommen. Damit wird die Integration des Festwalzprozesses in bestehende Prozessketten weiter vereinfacht.
Der Werkzeugprototyp im Prozess
Das Einsatzverhalten des SIF-Werkzeugs wurde in experimentellen Versuchen untersucht. Insbesondere wurde analysiert, wie sich die höhere Steifigkeit des SIF-Werkzeugs auf die Walzkraft im Prozess auswirkt.
Danksagung
Das Kooperationsprojekt ‚KontRoll‘ (KK5032727PK3) wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) betreut. Ecoroll und das IFW bedanken sich für die finanzielle Unterstützung in diesem Projekt. Gefördert wurde außerdem der Forschungsbau Scale – Skalierbare Produktionssysteme der Zukunft und das Großgerät CTX gamma 2000 durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) sowie aus Mitteln des Förderprogramms zukunft.niedersachsen, ein Programm des Niedersächsischen Ministeriums für Wissenschaft und Kultur (MWK) und der VolkswagenStiftung.
Im nachfolgenden Bild sind die im Prozess resultierenden Walzkräfte gezeigt, die sich bei der Bearbeitung mit dem SIF-Werkzeug und dem Sens-Werkzeug einstellen. Oben im Bild sind die resultierenden Walzkräfte ohne Walzkraftregelung dargestellt. Bei der Betrachtung der Ist-Kraft (rot) im Vergleich zur Soll-Kraft (schwarz) wird deutlich, dass die Abweichung vom Soll bei der Bearbeitung mit dem SIF-Werkzeug größer ist. Dies ist auf die höhere Steifigkeit des SIF-Werkzeugs zurückzuführen. Der untere Abschnitt des Bildes verdeutlicht die resultierenden Walzkräfte bei der Bearbeitung mit Walzkraftregelung.
Für beide Werkzeuge konnte die Abweichung von der Soll-Kraft verringert werden. Der größere Kraftfehler des SIF-Werkzeugs wird dabei ebenfalls ausgeglichen. Mit Walzkraftregelung sind die Abweichungen beider Werkzeuge nahezu identisch.
