Mechanische Oberflächenverfestigung Schwingfestigkeit von Bauteilen durch Rollieren gezielt steigern

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Die Herstellung von belastungsangepassten Bauteilen beginnt nicht erst in der Fertigung, sondern schon viel früher in der Design- und Konstruktionsphase. Dies ist zumindest ein elementares Ergebnis des Forschungsvorhabens FVA-840 II «Mechanische Oberflächenverfestigung II».

Bauteile können so ausgelegt werden, dass sie speziell für die vorherrschenden Belastungen optimiert sind. Dabei können natürlich unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, wie zum Beispiel die Wahl eines hochfesten und damit teuren Werkstoffs oder eine Optimierung der Geometrie. Eine einfache und zugleich effiziente Möglichkeit stellt das gezielte Einstellen von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften dar. Dabei handelt es sich um Werkstoffeigenschaften in den Randbereichen des Bauteils, die sich vom Grundgefüge unterscheiden und durch den Fertigungsprozess verändert werden.

Durch Fertigungsverfahren wie Festwalzen oder Rollieren können gezielt Druckeigenspannungen, insbesondere in den hoch belasteten Randbereichen, eingebracht werden. Diese wirken den Lastspannungen entgegen und sorgen so für eine Verlängerung der Schwingfestigkeit.

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Um diesen Effekt gezielt nutzen zu können, müssen zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein. Zum einen muss bereits bei der Bauteilauslegung klar sein, wie sich veränderte Randzoneneigenschaften auf das Bauteilverhalten auswirken. Zum anderen muss in der Fertigung das Wissen über die Vorteile der Rollierwerkzeuge vorhanden sein.

Im Rahmen des oben genannten FVA-Projekts beschäftigte sich ein Konsortium mit der ersten Bedingung. Stand heute gibt es verschiedene Richtlinien für die richtige Auslegung von Wellen und Wellenabsätzen. Dies stellt hohe Anforderungen an den/die Konstrukteur/in, der/die die Auswirkungen des Verfahrens relativ grob abschätzen muss. Ziel des Projekts war es nun, diese Abschätzung zu verbessern und dem/der Konstrukteur/in mehr Sicherheit bei der Auslegung der Bauteile zu geben.

Die Ergebnisse wurden von Stefanie Günther, Projektleiterin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion der Technischen Universität Dresden auf der VDI-Tagung «Wellen- und Welle-Nabe-Verbindungen» im November 2024 in Garchingen (D) vorgestellt.

Die Ecoroll AG Werkzeugtechnik aus Celle war über die gesamte Projektlaufzeit intensiv in die Projektarbeit eingebunden und hat aktiv am Projekt mitgewirkt. Oliver Maiss, Entwicklungsleiter bei der Ecoroll AG, ist begeistert von der Vielfalt der Ergebnisse: «Innerhalb des Projekts wurde eine so breite Versuchsmatrix untersucht, wie ich es vorher in keinem anderen Projekt gesehen habe. Die Ergebnisse zeigen, dass für unterschiedliche Werkstoffe, Kerbgeometrien und Belastungsarten eigentlich immer eine Verbesserung der Schwingfestigkeit erzielt wird.»

Wie Kerbspannungen die Lebensdauer von Wellen beeinflussen

Durch gezieltes Festwalzen einer Kerbstelle lassen sich signifikante Lebensdauersteigerungen erzielen, z. B. Laststeigerungen von bis zu +93 Prozent.

Beim Festwalzen oder Rollieren wird ein Walzkörper auf die Oberfläche eines Bauteils gepresst. Dort rollt dieser dann ab und sorgt für eine plastischen Verformung der Oberfläche und der darunter liegenden Randzone. Die für den Prozess entscheidenden Parameter sind die Geometrie der Rolle, der Vorschub und vor allem die Walzkraft. Sie entscheidet, wie hoch die Druckeigenspannungen sind, die eingebracht werden.

Werkzeugauswahl und Prozessoptimierung für maximale Festigkeitssteigerung

Am Markt gibt es unterschiedliche Werkzeuge für das Festwalzen. Diese unterscheiden sich häufig in der Geometrie der einzelnen Walzkörper. Das Werkzeug, insbesondere die Rolle, muss auf die Bearbeitungsaufgabe abgestimmt sein. Eine Rolle, wie sie in Bild 2 zu sehen ist, eignet sich beispielsweise nicht für die Bearbeitung von Radien und anderen Freiformflächen. Zum Glattwalzen von zylindrischen Innen- oder Aussenflächen ist sie dagegen optimal geeignet, da sie sehr hohe Vorschübe ermöglicht.

Zum Festwalzen von Radien eignen sich besonders einrollige mechanische Werkzeuge, bei denen die Rolle selbstgelagert ist. Ein Beispiel für ein einrolliges mechanisches Werkzeug vom Typ EG45 mit einer 40M-Rolle ist in Bild 3 dargestellt. Die Rolle ist dabei direkt gelagert und kann axiale und radiale Belastungen aufnehmen. Durch die Anstellung der Rolle unter 45° ist eine Bearbeitung über einen Winkel von 90° möglich. Damit eignet sich diese Rollenvariante sehr gut für die Bearbeitung von Radien an Wellen.

Die Rolle kann über die CNC-Steuerung entlang der Kontur geführt werden, so dass an jeder Stelle eine optimale Festwalzkraft aufgebracht werden kann. Bei der Programmierung ist jedoch eine Besonderheit des Werkzeugtyps zu beachten. Die Kraftaufbringung im Werkzeug funktioniert über Federelemente, die in eine Richtung einfedern können. In diesem Fall unter 45°, also quer zur Rollenachse.

Die Federrichtung muss bei der Beurteilung der Walzkraft berücksichtigt werden. Wird eine zylindrische Fläche bearbeitet, wird die reale Walzkraft unter einem Winkel von 45° zur Federkraft. Letztere wird auf der Messuhr angezeigt. Wird über den gesamten Radius mit konstanter Walzkraft gearbeitet, ändert sich die angezeigte Federkraft. Es wäre also falsch, den Prozess so zu programmieren, dass die Messuhr über den gesamten Radius den gleichen Wert anzeigt.

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