DE19740290B4

DE19740290B4 - Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrischen oder nicht-rotationssymmetrischen Drehteilen

Info

Publication number: DE19740290B4
Application number: DE1997140290
Authority: DE
Inventors: Christian Achmus; Jakob Betzold
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-09-13
Filing date: 1997-09-13
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2017-09-14
Also published as: DE19740290A1

Abstract

Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrischen oder nicht-rotationssymmetrischen Drehteilen, die im Betrieb auf Biegung oder Umlaufbiegung beansprucht werden, wobei das Bauteil an besonders hoch beanspruchten Stellen, z. B. Übergangsradien, durch eine Walzrolle mit einer der hoch beanspruchten Stelle angepaßten Profilierung unter Aufbringung von Druck gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Bauteil (10, 21) während der Festwalzbearbeitung eine äußere Last (19, 20; 33, 34) aufgebracht wird, derart, daß das Bauteil (10, 21) an den durch Festwalzen zu bearbeitenden Stellen (14; 28, 29) unter elastischer Vorspannung, insbesondere an der bearbeiteten Stelle unter Biege- und/oder Zugvorspannung, steht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Festigkeit von Bauteilen durch Festwalzen oder Glattwalzen von Oberflächen an den besonders hoch beanspruchten Stellen gesteigert werden kann. Zum diesbezüglichen Stand der Technik seien – stellvertretend für viele weitere Publikationen – die DE 43 09 176 C2 und die DE 195 16 834 A1 (jeweils mit weiteren Nachweisen) genannt.

Das Prinzip des Festwalzens besteht darin, daß die Randzone von hoch beanspruchten Stellen eines Bauteils durch profilierte Walzrollen unter Aufbringung von Druckkräften senkrecht zur Oberfläche gewalzt werden. Um die notwendigen hohen Anpreßdrücke zu erzeugen, müssen die Walzrollen entsprechend stark belastet werden, wodurch diese hohem Verschleiß ausgesetzt sind.

In vielen Fällen handelt es sich bei den festzuwalzenden Stellen um Übergangsradien (z. B. Freistichradien) an Drehteilen, die auf Biegung und/oder Umlaufbiegung beansprucht werden. Hier ist es zwar möglich, die erforderlichen hohen Anpreßdrücke beim Festwalzen (auch) durch Minimierung der Übergangsradien zu erreichen. Diese Maßnahme hat jedoch enge Grenzen; denn kleinere Radien führen zu entsprechend erhöhten Kerbwirkungen, wodurch die Dauerfestigkeit des gesamten Bauteils in unerwünschtem Maße herabgesetzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aufzubringenden Walzkräfte zu senken, ohne zum Ausgleich hierfür eine Erhöhung von Kerbspannungen an den zu walzenden Stellen (z. B. eine Verkleinerung von Radien) hinnehmen zu müssen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 entnehmbaren Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten die Ansprüche 2 bis 5.

Durch die Erfindung lassen sich nicht nur die Walzkräfte und entsprechend der Walzenverschleiß wesentlich verringern, sondern es kann zusätzlich auch eine Optimierung der Eigenspannungen in ihrer räumlichen Verteilung am Bauteil und hinsichtlich ihres Betrages erzielt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung das Festwalzen auch von hochfesten Werkstoffen, was beim bisherigen Stand der Technik nicht möglich war. Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich also die Werkstoffbeanspruchung beim Festwalzen an denjenigen Stellen (z. B. Übergangsradien, Freistichradien), die im Betrieb besonders stark belastet sind, so erhöhen, daß bei reduzierten Walzdrücken dennoch höhere Eigenspannungen erreicht werden. Dies wiederum ermöglicht eine Vergrößerung der Übergangs- bzw. Freistichradien und damit eine Verringerung der an diesen auftretenden Kerbwirkungen.

Bei bestimmten Bauteilen, wie z. B. Kurbelwellen von Brennkraftmaschinen, lassen sich – als vorteilhafte Folge der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens – sogar Gewichtsersparnisse erzielen.

Die Erfindung ist nun anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung veranschaulicht, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigen:
1 ein abgesetztes rotationssymmetrisches Bauteil (Welle) und
2 eine Kurbelwelle, z. B. für eine Brennkraftmaschine.
Die in 1 (teilweise) dargestellte Welle 10 besteht aus einem Teil 11 geringeren Durchmessers und einem Teil 12 mit größerem Durchmesser. Den Übergang von Teil 11 zu Teil 12 bildet ein Absatz 13, der einen Übergangsradius 14 aufweist. Die Längsmittel- bzw. Rotationsachse der Welle 10 ist durch eine strichpunktierte Linie 15 angedeutet. Die Welle 10 trägt eine (nicht dargestellte) Last, wodurch sich im Betrieb der Welle 10 eine Umlaufbiegebeanspruchung derselben ergibt, welche im Bereich des Übergangsradius '14 ihren Maximalwert erreicht.
Um die erforderliche Dauerfestigkeit der Welle 10 auch in diesem besonders stark umlaufbiegebeanspruchten Radiusbereich 14 zu gewährleisten, erfolgt dort eine Festwalzung mittels einer profilierten Walzrolle 16. Die Drehachse der Walzrolle 16 markiert eine strichpunktierte Linie 17. Die von der Walzrolle 16 beim Festwalzvorgang auf die Welle 10 bei 14 ausgeübte Druckkraft ist durch einen Pfeil 18 sichtbar gemacht. Zusätzlich ist die Welle 10 während des Festwalzvorganges in Richtung ihrer Längsmittel- und Rotationsachse 15 auf Zug belastet (siehe Pfeile 19, 20). Durch die Zugbelastung (Pfeile 19, 20) wird eine elastische Vorspannung der Welle 10 bewirkt, die eine Erhöhung der Werkstoffeigenspannungen bei 14 aufgrund des Festwalzvorganges ergibt, ohne daß es hierzu eines entsprechend hohen Walzdruckes (Pfeil 18) bedarf. Vielmehr wird eine Reduzierung des Walzrollendruckes (Pfeil 18) ermöglicht und damit der Verschleiß der Walzrolle 16 wesentlich verringert.
Bei dem in 2 dargestellten, insgesamt mit 21 bezifferten nicht-rotationssymmetrischen Bauteil handelt es sich um eine Kurbelwelle (bzw. um einen Teilabschnitt einer Kurbelwelle), z. B. für eine Brennkraftmaschine. Die Rotationsachse der Kurbelwelle 21 ist strichpunktiert markiert und mit 22 bezeichnet. Die Kurbelwelle 21 setzt sich (in üblicher Weise) zusammen aus Wellenzapfen 23, 24, Kurbelzapfen 25 und Kurbelwangen 26, 27. Infolge der im Betrieb auftretenden Kräfte wird die Kurbelwelle 21 (überwiegend) auf Biegung beansprucht. Beanspruchungsspitzen ergeben sich insbesondere an den mit 28 und 29 bezifferten Freistichradien des Kurbelzapfens 25 an den Übergängen zu den Kurbelwangen 26, 27.
Um diese im Betrieb besonders auf Biegung beanspruchten Freistichradien 28, 29 hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit zu optimieren, erfolgt dort jeweils ein Festwalzen mittels einer profilierten Walzrolle 30 unter Aufgabe einer Druckkraft vertikal auf die gewalzte Oberfläche (siehe Pfeil 31). Die Drehachse der Walzrolle 30 ist mit 32 bezeichnet.
Während der Durchführung des Festwalzvorganges wird die Kurbelwelle 21 in Richtung ihrer Rotationsachse 22, wie durch Pfeile 33, 34 angedeutet (elastisch), auf Zug belastet. Dies kann beispielsweise durch ein Aufdrücken der Wangen 26, 27 im Bereich zwischen den Wellenzapfen 23, 24 geschehen. Hierdurch ergibt sich eine elastische Biegevorspannung an den festgewalzten Freistichradien 28, 29, die eine Verringerung des erforderlichen Walzrollendruckes 31 und/oder eine Vergrößerung der Freistichradien (und damit eine Reduzierung der örtlichen Kerbspannungen) 28, 29 ermöglicht.

Claims

Verfahren zum Festwalzen der Oberfläche von Bauteilen, insbesondere von rotationssymmetrischen oder nicht-rotationssymmetrischen Drehteilen, die im Betrieb auf Biegung oder Umlaufbiegung beansprucht werden, wobei das Bauteil an besonders hoch beanspruchten Stellen, z. B. Übergangsradien, durch eine Walzrolle mit einer der hoch beanspruchten Stelle angepaßten Profilierung unter Aufbringung von Druck gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Bauteil (10, 21) während der Festwalzbearbeitung eine äußere Last (19, 20; 33, 34) aufgebracht wird, derart, daß das Bauteil (10, 21) an den durch Festwalzen zu bearbeitenden Stellen (14; 28, 29) unter elastischer Vorspannung, insbesondere an der bearbeiteten Stelle unter Biege- und/oder Zugvorspannung, steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10, 21) – zur Erzeugung der Biegevorspannung an den durch Festwalzen zu bearbeitenden Stellen (14; 28, 29) – während des Festwalzvorganges durch Zugkräfte (19, 20; 33, 34) belastet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, zum Festwalzen von Übergangsradien (14) an abgesetzten Wellen (10) mit Abschnitten (11, 12) unterschiedlichen Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkräfte (19, 20) in Richtung der Längsmittel- und Rotationsachse (15) an der Welle (10) angreifen (1).
Verfahren nach Anspruch 2, zum Festwalzen von Freistichradien (28, 29) an einem Kurbelzapfen (25) einer Kurbelwelle (21), dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkräfte (33, 34) in Richtung der Rotationsachse (22) an Wellenzapfen (23, 24) der Kurbelwelle (21) angreifen (2).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine äußere Kraft auf die Kurbelwelle (21) in Freistichen (28, 29) im Bereich zwischen Wellenzapfen (23, 24) eine Zugspannung der Festwalzbearbeitung überlagert wird, insbesondere durch Aufdrücken der Wangen (26, 27).