DE19511882A1 - Verfahren zum Verfestigen von Werkstückoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen von Werkstückoberflächen durch Erzeugen von Druckeigenspannungen mittels verformender Werkzeuge (Rollieren) sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das gattungsgemäße Verfestigungsverfahren ist ein äußerst wirtschaftli­ ches, effektives und auch umweltfreundliches Fertigungsverfahren, welches bei der Herstellung hochbeanspruchter Bauteile im Automobil-, Maschinen-, Flugzeug- und Schiffsbau bereits seit Jahrzehnten erfolgreich angewendet wird. Es wird eingesetzt, um Druckeigenspannungen gezielt in kritischen Bereichen hochbeanspruchter Bauteile einzubringen. Durch die Verfestigung wird die Dauerfestigkeit deutlich erhöht und die Kerbempfindlichkeit verringert. In der Literatur ist das Verfahren bereits eingehend behandelt worden.

Ein Schwachpunkt des Verfahrens ist die bisher nicht zufriedenstellende Kontrolle des Verfestigungsergebnisses. Bekannte Fest- und Richtwalzma­ schinen, beispielsweise für die Kurbelwellenbearbeitung, verfügen in der Regel über Zusatzeinrichtungen, wie winkelabhängige Walzkraftsteuerung, Werkzeugbruchüberwachung, Schmieröldosierung beim Festwalzen und Pa­ rameterüberwachung zur Qualitätssicherung (vgl. Aufsatz "Leistungsfähige Bauteile durch Oberflächen-Walztechnik", ATZ/MTZ-Sonderheft Fertigungs­ technik 94195, Seite 34, rechte Spalte, Ziffer 2.1, bis Seite 35, linke Spalte).

Eine Reihe von Arbeiten zum Thema Festwalzen haben als gemeinsames Ziel die Vorhersage der optimalen Verfahrensbedingungen und der erzielba­ ren Schwingfestigkeit. Auf theoretischer Seite wird versucht, den Festwalz­ prozeß mit der Finite-Elemente-Methode hinreichend genau zu simulieren, um so den entscheidenden Zusammenhang zwischen den Festwalzbedin­ gungen, dem erzeugten und wirkenden Eigenspannungszustand und der er­ reichten Schwingfestigkeit aufzuzeigen (vgl. Aufsatz "Festwalzen hebt Kerbwirkung auf" in ATZ/MTZ-Sonderheft Fertigungstechnik 94195, Seite 49, mittlere Spalte, Nr. 4 - Ausblick -).

Auch in dem Aufsatz "Aspekte der Qualitätssicherung beim Festwalzen" in - "Mechanische Oberflächenbehandlung - Festwalzen ⚫ Kugelstrahlen ⚫ Sonderverfahren -", DGM-Informationsgesellschaft m. b. H, 1989, Seiten 231 bis 239, ist beginnend ab Seite 234 davon die Rede, für die Kontrolle des Festwalzens zwei Methoden anzuwenden, nämlich die direkte Kontrolle des Festwalzeffektes und die indirekte Kontrolle des Festwalzeffektes. Durch Anwendung indirekter Kontrollmethoden läßt sich der Festwalzeffekt in der laufenden Fertigung bzw. im Labor kontrollieren. Durch das Festwalzen werden die Eigenspannungen, die Oberflächenhärte sowie die Abmessungen des Werkstückes beeinflußt. Infolgedessen wird eine dieser Charakteristika oder ihre Kombination für die indirekte Kontrolle gewählt. Die einfachste indirekte Prüfmethode besteht in der Messung der plastischen Verformung in der festgewalzten Hohlkehle. Dafür werden die Form und die Abmessung der Hohlkehle vor und nach dem Festwalzen gemessen und die Veränderung der plastischen Umformung festgestellt. Die Dauerfestigkeit kann indirekt durch Messung der Verfestigungstiefe und des Verfestigungsgrades festgestellt werden. Des weiteren wird auch hier eine Kontrolle der Festwalzdaten, nämlich Festwalzkraft, Überwalzzahl, Festwalzzeit und Anwesenheit des Werkstückes über entsprechende maschinenseitige Steuersysteme während des Festwalzens vorgeschlagen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Verfestigen von Werkstückoberflächen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dahingehend weiterzubilden, daß eine Optimierung der Arbeitsergebnisse erzielt werden kann.

Dies gelingt nach der Erfindung durch Anwendung der Maßnahmen, wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben sind.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Patentanspruch 6 angegeben.

Dadurch, daß bereits während des Laufens der Bearbeitungsmaschine die Verfestigungsvorgänge in Gestalt einer Änderung der Oberflächeneigenschaften, wie z. B. Kontur, Härte, usw., erfaßt und in einen Regelprozeß mit Veränderungen der Maschinenparameter einbezogen werden, ergibt sich am Ende der Bearbeitung ein Werkstück, dessen Oberfläche bzw. bearbeitete Oberflächenbereiche exakt die gewünschten Eigenschaften aufweist bzw. aufweisen. Bei entsprechender Signalverarbeitung können auch Ungleichmäßigkeiten in der Werkstückoberflächenverformung, die auf Defekte des Werkzeuges schließen lassen, erfaßt werden.

Die Oberflächenkontur z. B. ist meßtechnisch an sich auf mannigfaltige Art und Weise erfaßbar, beispielsweise mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, akustisch, elektromagnetisch, elektrokapazitiv oder elektronisch mittels entsprechend wirkender Fühler. Dabei hat sich der Einsatz pneumatisch wir­ kender Tastköpfe bewährt. Solche Meßfühler sind für verschiedenerlei Zwecke als Abtastvorrichtungen zum berührungslosen Abtasten von Werkstückoberflächen oder dergleichen hinlänglich bekannt (DE-AS 2 219 517, DE 25 53 813 B2, DE 38 21 801 C2, DE 42 22 489 A1 und DE 40 33 727 C1).

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schematisierter Form eine Vorrichtung zum Verfestigen von Werkstückoberflächen und

Fig. 2 als Seitenansicht eine ausschnittsweise Darstellung eines auf der Werkstückoberfläche aufsitzenden Meßkopfes.

Entsprechend der Zusammenschau der Fig. 1 und 2 weist ein Festwalz­ werkzeug einen oberen und einen unteren Rahmenkörper 1, 2 auf, wobei im oberen Rahmenkörper 1 über hier nicht näher gezeigte Mittel eine Festwalz­ rolle 3 und im unteren Rahmenkörper 2 Stützrollen 4 zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstückes 5 gelagert sind. Das Werkstück 5 (beispielsweise eine Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle) weist zwei Abschnitte unterschiedlicher Querschnitte (D_A, D_I) mit einem gerundeten Übergang 6 auf, der zu verfestigen ist. Hierzu dient die bereits erwähnte Festwalzrolle 3, während dieser diametral (bezüglich einer Werk­ stück-Längsachse 7) gegenüberliegend im unteren Rahmenkörper 2 ein pneumatischer Tastkopf 8 federnd gelagert (Druckfeder 9) aufgenommen ist und, wie Fig. 2 zeigt, am gerundeten Übergang 6 des Werkstückes 5 anliegt.

Der Tastkopf 8 ist, ebenso wie die Festwalzrolle 3 (in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet), gegenüber der Werkstück-Längsachse 7 geneigt vorzugsweise im Bereich von 45° bis 70°, beispielsweise 55° (Winkel α).

Eine dem Werkstück-Übergang 6 zugeordnete Stirnfläche 10 des pneumati­ schen Tastkopfes 8 ist gerundet ausgeführt und zwar vorzugsweise mit dem gleichen Krümmungsradius wie auch der Werkstück-Übergang 6. In diese Stirnfläche 10 münden drei innerhalb des Tastkopfes 8 angeordnete Druckluftkanäle 13, 14, 15, die über Leitungen 16.1-16.3 und Druckluftquelle 17 beaufschlagbar sind.

Werden die Druckluftkanäle 13-15 entsprechend beaufschlagt, so ergibt sich in jedem Druckluftkanal 13-15 je nach Abstand A1, A2, A3 der Kanalmündung von der Werkstückoberfläche ein anderer Staudruck. Diese Staudrücke werden in einem an die Druckluftquelle 17 angeschlossenen Schaltelement 18 auf im Stand der Technik bekannte Weise in elektrische Spannungen umgewandelt, wobei die jeweilige Spannung proportional dem Abstand A1, A2, A3 ist, so daß eine Aussage über die Kontur der Werkstückoberfläche im Bereich des Überganges 6 getroffen werden kann.

Die mit einer entsprechenden Andrückkraft einwirkende Festwalzrolle 3 dringt in den Werkstoff ein und erzeugt so abhängig vom Fließverhalten des Werkstück-Werkstoffes Aufwürfe 19. Deren Höhe entspricht dann den Abständen A1 und A3 während der Abstand A2 sich aus der Höhe des Auf­ wurfes 19 zuzüglich der Eindringtiefe der Festwalzrolle 3 ergibt. Die tatsäch­ liche Eindringtiefe (=Verformung V) der Festwalzrolle 3 in den Werkstück­ werkstoff ergibt sich dann aus der Differenz A2 - A1 bzw. A3 - A1, wobei hier der Einfachheit halber angenommen wird A1 = A3.

Entsprechend den eingangs erwähnten Zusammenhängen zwischen Werk­ stückverformung und erzielter Festigkeit gelangt die ermittelte Verformung V über das Schaltelement 18 sowie ein Festigkeits-Sollwert über einen Fe­ stigkeits-Sollwertgeber 23 gemäß Fig. 1 als Eingangssignale 24, 25 in eine Signalverarbeitung 26. Dort wird bezüglich einer gespeicherten werkstück­ spezifischen Kennlinie Festwalzkraft/Wechselfestigkeit RBW (Verformung V) ein Soll-/Istvergleich hergestellt und über eine Signalverstärkung 27 evtl. erforderliche Korrektursignale als Regelgröße, beispielsweise zur Verände­ rung der Festwalzkraft der diese erzeugenden und der Festwalzrolle 3 zuge­ ordneten und diese aufnehmenden Einheit 28 zugeleitet.

Bereits vor dem eigentlichen Verfestigungsprozeß unter Einsatz der Fest­ walzrolle 3 (es können auch mehrere Festwalzrollen sein) kann über ein vorgeschaltetes Abtasten des Werkstücküberganges 6 mittels Tastkopf 8 der Ausgangszustand (Oberflächenrauhigkeit, Maßhaltigkeit) dieses Überganges 6 ermittelt und im späteren Bearbeitungsprozeß entsprechend berücksichtigt werden.

Wie bereits erwähnt können für den Regelprozeß alternativ oder auch kumulativ anderweitige Werkstück-Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise die Oberflächenhärte, mittels geeigneter Meßeinrichtungen erfaßt und berücksichtigt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verfestigen von Werkstückoberflächen durch Erzeugen von Druckeigenspannungen mittels verformender Werkzeuge (Rollieren) unter meßtechnischer Erfassung der Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche (6) während des Verfestigungsvorganges meßtechnisch erfaßt wird und daß aus den Meßergebnissen Regelgrößen zur Einstellung/Veränderung von Werkzeugparametern abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Oberflächenkontur gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstück-Oberflächenhärte gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des verformenden Werkzeuges (3) in die Werkstückoberfläche (6) erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bereits vor dem eigentlichen Verfestigungsvorgang der Ausgangszustand (Oberflächenrauhigkeit, Maßhaltigkeit, Härte) meßtechnisch erfaßt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Rahmen (1, 2) zur Aufnahme von Festwalz- und Werkstück-Stützrollen (3, 4) aufweist, daß weiterhin ein Rahmenkörper (2) einen pneumatischen Tastkopf (8) federnd gelagert (Druckfeder 9) aufnimmt, wobei der Tastkopf (8) der Festwalzrolle (3) bezüglich einer Werkstück-Längsachse (7) vorzugsweise diametral gegenüberliegend angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein mit dem Tastkopf (8) zur Umwandlung von Staudrücken in elektrische Signale verbundenes Schaltelement (18), welches, wie auch ein Festigkeitssollwertgeber (23), Eingangssignale (24, 25) an eine Signalverarbeitung (26) liefert, von wo aus eventuelle Korrektursignale als Regelgrößen über eine Signalverstärkung (27) einer der Festwalzrolle (3) zugeordneten und diese aufnehmenden Einheit (28) zugeleitet werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (8) eine Stirnfläche (10) mit einer der Werkstückkontur entsprechenden Kontur sowie eine Anzahl von Druckluftkanälen (13, 14, 15) aufweist, die über Leitungen (16.1-16.3) in eine mit dem Schaltelement (18) in Verbindung stehende Druckluftquelle münden.