WO2005023488A1

WO2005023488A1 - Walzwerkzeug und walzrolle zum walzen, insbesondere festwalzen, eines werkstücks

Info

Publication number: WO2005023488A1
Application number: PCT/DE2004/001860
Authority: WO
Inventors: Alfred Ostertag; Karsten RÖTTGER
Original assignee: Ecoroll Ag
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2005-03-17
Also published as: DE112004001577D2; DE10340267A1

Abstract

Bisher bekannten mechanischen Festwalzwerkzeugen ist gemein, dass Walzrollen sowohl das zu walzende Werkstück als auch auf Werkzeugseite eine Gegenrolle überrollen. Zwar kann die Festwalzrolle hierdurch seitlich pendeln; das Material der Walzrolle ermüdet aber relativ schnell. Um eine verbesserte Haltbarkeit zu erreichen, wird ein Walzwerkzeug vorgeschlagen, bei welchem ein Arbeitsumfang in einem räumlich von einem Lagerkontaktbereich getrennten Werkstückkontaktbereich der Walzrolle liegt. Auch werden ein Walzwerkzeug mit einer hydraulisch gelagerten Formrolle und eine hierzu geeignete Walzrolle vorgeschlagen.

Description

Walzwerkzeug und Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks

[01] Die Erfindung betrifft ein Walzwerkzeug und eine Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks.

[02] In zahllosen Anwendungen des Maschinenbaus stellt sich regelmäßig die Aufgabe, Bauteile für besonders intensive Belastungen auszulegen. Insbesondere bei dynamisch beanspruchten Bauteilen treten häufig frühzeitige Verschleißerscheinungen und damit einhergehend unerwartetes Bauteilversagen auf. Die Ursache hierfür ist oft in Rissen zu sehen, welche ihren Anfang an der Werkstückoberfläche, insbesondere an dort vorhandenen Mikrokerben oder Geometriesprüngen nehmen.

[03] Das Festwalzen führt bei dynamisch beanspruchten Bauteilen zu einer signifikanten Erhöhung von Zeit- und Dauerfestigkeit. Das Walzen des Werkstücks bewirkt eine Umformung der Randschicht. Die Walzkraft wird dabei so hoch gewählt, dass die Randschicht beim Walzen plastifiziert wird. Hiermit gehen im Wesentlichen drei Vorteile einher:

[04] Zunächst werden bleibende Druckeigenspannungen in der Bauteilrandschicht erzeugt, welche auch bei ansonsten auftretenden Zugspannungen der Randschicht geeignet sind, diese zu Überdrücken. Zudem werden durch die Kaltumformung lokal höhere Festigkeiten erreicht. Schließlich wird die Oberfläche mikroskopisch geglättet, dadurch werden Mikrokerben, welche Ursprung von Rissen sein können, wei- testgehend eliminiert.

[05] Angesichts dieser prozessbedingten Vorteile kommt dem Festwalzen aus der Vielzahl der möglichen mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren eine besondere Bedeutung zu. Das Festwalzen wird normalerweise im Einstichverfahren oder im Vorschubverfahren eingesetzt. Beim Einstichverfahren werden Profilrollen verwendet, die speziell auf den Radius einer zu verfestigenden Hohlkehle abgestimmt sind. Sie werden schräg angestellt, sodass die resultierende Walzkraft auf die Zone ausgerichtet ist, in der die höchste Materialermüdung zu erwarten ist. Die Festwalzrollen sind derart pendelnd aufgehängt, dass sich die Neigung der Rollen beim Anstellen an die Hohlkehle automatisch auf den tatsächlichen lokalen Oberflächenwinkel einstellen kann. Damit werden Fertigungstoleranzen ausgeglichen und es wird gleichzeitig sichergestellt, dass sich die gewünschte Verteilung der Druckspannungen in der Hohlkehle ergibt. Dieser Effekt ist für die Prozesssicherung außerordentlich wichtig. [06] Der Prozess erstreckt sich üblicherweise über mehrere Umdrehungen des Werkstücks. Dabei wird die Walzkraft über eine gewisse Umdrehungszahl langsam aufgebaut, dann konstant gehalten und schließlich über eine weitere bestimmte Umdrehungszahl wieder abgebaut. Durch das weiche Ein- und Aussetzen der Walzrolle werden Spannungssprünge und eine hiermit zwangsweise einhergehende zusätzliche Kerbwir- kung vermieden.

[07] Während sich das Einstichverfahren nur für eng begrenzte Bereiche, vorzugsweise für Hohlkehlen mit Radien kleiner als 4 mm, eignet, ist für die Bearbeitung größerer Flächen das Vorschubverfahren vorgesehen.

[08] Für die konventionelle Anwendung sind für das Walzen keine Sondermaschinen notwendig; stattdes- sen kann das Walzwerkzeug einfach in die vorhandene Maschine, beispielsweise in eine Drehmaschine, integriert werden.

[09] Beim Festwalzen werden die Werkzeuge mit sehr hohen Walzkräften beaufschlagt. Während des Walzprozesses steht die Walzrolle mit einer definierten Kraft gegen das zu verfestigende Werkstück ge- presst mit diesem in Verbindung und wird relativ zu diesem bewegt. Um die Walzkraft auf die Rolle zu übertragen und gleichzeitig eine gewisse Pendelmöglichkeit für die Rolle zu gewährleisten, läuft die Walzrolle mit ihrem Arbeitsumfang werkstückseitig am Werkstück und werkzeugseitig an einer Gegenrolle entlang. Die Pendelbewegung ist für eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Radius unverzichtbar.

[10] Im Einsatz wird die Walzrolle daher notwendigerweise pro Umdrehung zweimal überwalzt. Dies führt zu einer vergleichsweise schnellen Ermüdung des Materials, insbesondere bei den sehr hohen Fest- walzkräften. Eine verschleißärmere Lagerung ist zwar aus der EP 0 353 376 AI bekannt. Hier wird ein Walzwerkzeug vorgeschlagen, bei welchem die Lagerung hydrostatisch erfolgt. Der Walzkörper ist jedoch kugelförmig, und diese geschickte Lösung ist auf Formrollen nicht geeignet übertragbar, da die Dichtkante entlang einer Rollenkontur weitaus komplexer ist als die Dichtkante entlang eines kugelförmigen Körpers. Bei hydrostatisch gelagerten Walzrollen würde sich der Dichtspalt schon bei kleinen - zwei- fellos erfolgenden - Pendelbewegungen so stark verändern, dass der erforderliche hydrostatische Druck nicht gewährleistet werden kann. Außerdem würden schon geringe Oberflächenschäden im Arbeitsbereich der Walzrolle zu Störungen der Spaltdichtung führen.

[1 1] Gattungsgemäße oder ähnliche Walzwerkzeuge sind weiterhin auch aus der DE 43 09 176 C2, der DE 33 90 141 C2, der US 4,821 ,388 und der US 3,945,098 bekannt. [12] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Walzwerkzeug mit geringerem Verschleiß für eine Walzrolle vorzuschlagen.

[13] Diese Aufgabe löst zunächst ein Walzwerkzeug mit einer Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, wobei die Walzrolle während des Walzens mit einem Arbeitsumfang rotierend am Werkstück entlangläuft, wenn der Arbeitsumfang in einem räumlich von einem Lagerkontaktbereich getrennten Werkstückkontaktbereich der Walzrolle liegt.

[14] Unter Arbeitsumfang wird dabei der schmale oder breitere Streifen entlang des äußeren Umfangs der Walzrolle verstanden, welcher während des Walzens die Walzkräfte auf den zu verfestigenden Bereich des Werkstücks überträgt. Mikroskopisch wird es sich hierbei im Zweifelsfall um zwei oder mehrere Streifen handeln; makroskopisch ist dies üblicherweise ein die Walzrolle umlaufender rotationssymmetrischer Streifen von unter einem bis zu etwa 8 mm Breite. Die Walzrolle steht zwar zu jedem Zeitpunkt nur mit einem geringen Teil ihres Arbeitsumfanges mit dem Werkstück in Kontakt, zum Walzen wird die Rolle aber über den zu verfestigenden Bereich bewegt. Dies geschieht üblicherweise dadurch, dass das Werkstück oder das Werkzeug unter Beibehaltung eines konstanten Drucks gegeneinander gedreht werden. Dabei ist der Arbeitsumfang regelmäßig exakt rotationssymmetrisch, damit während der Rotation eine konstante Radialkraft von der Walzrolle auf das Werkstück übertragen wird.

[15] Unter „Bereichen", also insbesondere dem Lagerkontaktbereich und dem Werkstückkontaktbereich, wird zunächst die Oberfläche der Walzrolle verstanden. Sobald die Walzkraft über die Oberfläche der Walzrolle im Lagerkontaktbereich in die Walzrolle eingebracht und durch die Walzrolle über denjenigen Teil ihrer Oberfläche, welcher in Kontakt mit dem Werkstück steht, als Festwalzkraft weitergeleitet wird, und solange diese mit Spannung beaufschlagten Oberflächenabschnitte der Walzrolle keine Überschneidung aufweisen, wird die erfindungsgemäße verminderte Belastung des Walzrollenmaterials erreicht. Aus konstruktiven Gründen lässt sich dies am einfachsten dadurch erreichen, dass der Lagerkontaktbereich und der Werkstückkontaktbereich bezüglich der Rotationsachse der Walzrolle versetzt zueinander liegen, dass sich also bei einer Projektion des Lagerkontaktbereichs und des Werkstückkontaktbereichs auf die Rotationsachse der Walzrolle keine Überschneidung der beiden Kontaktbereiche ergibt.

[16] Es ergibt sich hierdurch eine Konstellation, bei welcher die Walzrolle in einem den Arbeitsumfang nicht einschließenden Lagerbereich gelagert ist. Somit wird unmittelbar ein geringerer Verschleiß an der Walzrolle hervorgerufen. [17] Die erfϊndungsgemäße Lösung der Verschleißminderung eignet sich sowohl für mechanisch gelagerte als auch für hydrostatisch gelagerte Walzrollen.

[ 18] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Walzwerkzeugs ist der Lagerkontaktbereich beiderseits des Werkstückkontaktbereichs angeordnet. Bei einer solchen Lagerung werden relativ geringe Lagerkräfte benötigt. Während bei einseitiger Lagerung Kragmomente über eine Einspannung abgetragen werden müssten, können so im Wesentlichen einfache Druckkräfte zwischen Lager und Walzrolle übertragen werden. Insbesondere ist sogar anzustreben, dass die Lagerung symmetrisch erfolgt.

[19] Vorteilhaft kann die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine kreisbogenförmige Kontur haben. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Querschnitt durch die Lagerfläche die Walzrolle eine kreisbogen- förmige Begrenzung hat und mit dieser vorzugsweise flächig auf dem Lager aufliegt. Der Querschnitt durch die Lagerfläche ist bevorzugt so gewählt, dass die Querschnittsebene senkrecht zu einer Ebene des Arbeitsumfangs und/oder der Ebene des Lagerkontaktbereichs und parallel zur Hauptdruckrichtung des Werkzeugs liegt (vgl. die in Figur 1 der Zeichnung gewählte Schnittebene). Bei Rotation um die Rotationsachse der Walzrolle ergibt dieses Kreisbogenstück einen Rotationskörper, wobei der Abstand zwi- sehen der Rotationsachse der Walzrolle und dem Kreisbogenstück nicht der Radius des Kreisbogens sein muss. Bereits durch Vorsehen der kreisbogenförmigen Kontur ergibt sich eine besonders verschleißarme, flächige Lagerung. Dabei kann es schon ausreichen, wenn die Walzrolle nur auf einer Seite des Werkstückkontaktbereichs eine solche kreispunktförmige Kontur aufweist.

[20] Insbesondere wird aber vorgeschlagen, dass der Lagerkontaktbereich beidseitig des Werkstückkon- taktbereichs kreisbogenformig mit einer Lagerkontur eines durchgehenden Kreisbogens vorgesehen wird, wobei der Mittelpunkt des durchgehenden Kreisbogens in der Ebene des Werkstückkontaktbereichs liegt.

Bei einer solchen Konstellation liegt die Walzrolle zwar auf zwei Lagerflächen auf dem Lager auf; bei einem Querschnitt durch die Lagerung ergeben sich die Lagerflächen jedoch als so geformt, dass ein

Kreisbogen durch beide Lagerflächen gezogen werden kann. Dabei sind die Lagerflächen symmetrisch zur Mitte der Walzrolle, der Mittelpunkt des beide Lagerflächen durchlaufenden Kreisbogens liegt also in einer gedachten Ebene des Werkstückkontaktbereichs beziehungsweise des Arbeitsumfangs. Die Ebene ist normal zur Rotationsachse der Walzrolle.

[21] Durch diese Konstellation kann die Walzrolle zumindest in gewissem Maße ausschwenken, also während einer Rotation des Arbeitsumfangs den Winkel der Arbeitsebene verdrehen, ohne dass sich die Auf- lagefläche der Walzrolle auf dem Lager verändern muss. [22] Wenn bei einer solchen Konstellation nicht nur Tangenten an die Walzrolle im Lagerkontaktbereich, sondern auch eine Tangente im Werkstückkontaktbereich senkrecht zu einer Verbindung von dort zum Mittelpunkt des beschriebenen Kreises liegen, bewirkt eine Walzkraft, welche über den Arbeitsumfang in die Walzrolle eingeleitet wird, keine ungewünschte Verdrehung der Walzrolle.

[23] Als besondere Form einer Lagerung mit kreisbogenförmiger Kontur wird vorgeschlagen, dass die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine Tonnenform aufweist. Eine Tonne kennzeichnet sich dadurch, dass ihr Mantel der Rotationskörper eines Kreisbogenstücks ist, dass der Mittelpunkt des Kreisbogens aber nicht auf der Rotationsachse der Tonne liegt, welche im Falle einer Walzrolle die Rotationsachse der Walzrolle ist. Vorteilhaft ist sogar, wenn der Mittelpunkt des die Kontur der tonnenförmigen Lagerkon- taktfläche definierenden Kreises zwar in der Arbeitsumfangsebene, aber außerhalb der Walzrolle liegt. Dies geht damit einher, dass der Radius des die Tonnenform definierenden Kreises um ein gewisses Maß größer als der Radius des Arbeitsumfangs ist. Bei einer solchen Ausführung ist die Walzrolle unter statischen Aspekten stabil gelagert. Eine solche Lagerung eignet sich sogar für Festwalzvorgänge im Vorschub bei zylindrischen Werkstücken oder bei Konturen mit großen Radien.

[24] Eine im Lagerkontaktbereich tonnenförmige Walzrolle ist insbesondere einer werkzeugseitig mechanischen Lagerung zugänglich, vorzugsweise über Stützrollen wie Wälzlager, insbesondere Kugel-, Nadel- und Zylinderrollenlager.

[25] Besonders bevorzugt kann die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine Sphärenform aufweisen. In diesem Fall fällt der Mittelpunkt eines die kreisbogenförmigen Lagerflächen definierenden Kreises mit der Rotationsachse der Walzrolle zusammen. Die Lagerfläche ergibt sich unter Rotation um die Walzenachse zu einem Streifen zwischen jeweils zwei Längengraden auf der Sphärenform. Geeignete Sphärenformen haben beispielsweise Kugelkalotten beziehungsweise Kugelzonen, welche seitlich des Werkstückkontaktbereichs an diesen angeschlossen sind.

[26] Vorteilhaft ist eine dergestalt kugelförmig gelagerte Walzrolle absolut neutral schwenkbar und dabei räumlich kompakt.

[27] Über die Sphärenform ist diese Rolle sogar einer werkzeugseitig hydraulischen, insbesondere hydrostatischen, Lagerung zur Aufnahme der Walzrolle zugänglich. Dies ermöglicht es in besonderem Maße, die Walzkraft sehr konstant zu kontrollieren, was zu einer hohen Qualität und Reproduzierbarkeit des Walzvorgangs führt. Die Lagerung erfolgt schließlich an der geometrisch relativ einfachen Figur einer Kugel und wird somit unabhängig von der Formgebung im Werkstückkontaktbereich. [28] Die Walzrolle kann somit auch eine Ausschwenkbewegung an einem lokal vorhandenen Winkel einer Hohlkehle besonders einfach nachvollziehen. Um bei einem solchen Ausschwenkvorgang die Kräfte, insbesondere die hydrostatischen Kräfte, konstant zu halten, wird außerdem ein Schwenklagerbereich an der Walzrolle zum Aufrechterhalten der Lagerungsfläche bei einer Auslenkung der Walzrolle vorgeschla- gen. Dieser kann insbesondere eine über die Grenzen der werkzeugseitigen Lagerungsfläche hinausgehende Kreisbogenkontur an der Walzrolle sein. Wenn die Walzrolle ausschwenkt, verschiebt sich automatisch der Lagerkörper der Walzrolle relativ zum werkzeugseitigen Lager. Zumindest ein Teil der ursprünglichen Kontaktfläche wird dadurch von dem werkzeugseitigen Lager hinuntergeschoben. Wenn sich die Geometrie des ursprünglichen Auflagebereichs in der vorgeschlagenen Weise neben der ursprünglichen Lagerflä- ehe fortsetzt, bleiben die Auflageflächen-, Kraft- und Spannungsverhältnisse in der Lagerung der Walzrolle konstant.

[29] Es sei daraufhingewiesen, dass eine werkzeugseitig hydraulische, insbesondere hydrostatische, Lagerung zur Aufnahme der Formwalzrolle - insbesondere in Verbindung mit einem Schwenklagerbereich an der Walzrolle - auch unabhängig von den vorhergehend genannten Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft und erfinderisch ist.

[30] Unter dem grundlegenden Erfindungsgedanken löst die gestellte Aufgabe auch ein Walzwerkzeug mit einer hydraulisch gelagerten Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, wenn die Walzrolle sphärisch gelagert, aber selbst asphärisch, insbesondere teilweise sphärisch ist. Hierdurch ergeben sich unmittelbar die beschriebenen Vorteile, dass über die geometrisch kontrollierbare kugelför- mige Lagerung eine hydraulische Lagerung mit der einhergehenden einfachen Regulierbarkeit der Druckkraft zu erreichen ist, während gleichzeitig der Arbeitsumfang von dieser Form abweichen und insbesondere an die zu bearbeitende Hohlkehle angepasst sein kann.

[31] Ein besonderer Aspekt der Erfindung liegt demgemäß darin, dass der Stand der Technik um ein Walzwerkzeug mit einer hydraulisch gelagerten Formrolle zum Walzen eines Werkstücks bereichert wird.

[32] Für alle hydraulischen Lagerungen an zwei durch einen Werkstückkontaktbereich getrennten Abschnitten eines Lagerkontaktbereichs wird zudem vorgeschlagen, dass werkzeugseitig zwei Hydraulikzuleitungen vorgesehen sind. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass beiderseits des Werkstückkontaktbereichs der hydraulische Lagerdruck unabhängig voneinander gewährleistet bleibt.

[33] Es sei darauf hingewiesen, dass eine Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werk- Stücks, wobei die Walzrolle einen im Wesentlichen scheibenförmigen, um eine Rollenachse symmetrischen Werkstückkontaktkörper aufweist, auch für sich genommen vorteilhaft und erfinderisch ist, wenn sie sich durch bezüglich der Rollenachse längs zum Werkstückkontaktkörper angeordnete, um dieselbe Achse rotationssymmetrische Lagerkörper auszeichnet. In dieser Form ist sie unmittelbar der erfindungsgemäßen Anwendung zugänglich.

[34] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines konkreten und zweier schematischer Ausführungsbei- spiele in der Zeichnung näher erläutert. Dabei können gleiche Bezugsziffern in unterschiedlichen Figuren gleiche Bauteile darstellen. Im einzelnen zeigen

Figur 1 in einem Querschnitt einen Werkzeugkopf mit einem Walzrollenhalter und mit einer hydrostatisch gelagerten Walzrolle,

Figur 2 schematisch eine Walzrolle mit einem tonnenförmigen Lagerkörper in einer Zentralstel- lung,

Figur 3 die Walzrolle aus Figur 2 in einem ausgeschwenkten Zustand,

Figur 4 schematisch eine Walzrolle mit einem kugelförmigen Lagerkörper in einer Zentralstellung und

Figur 5 die Walzrolle aus Figur 4 in einer ausgeschwenkten Stellung.

[35] Das Walzwerkzeug 1 in Figur 1 besteht im Wesentlichen aus einem Walzrollenhalter 2 und einer Walzrolle 3. Die Walzrolle 3 ist im Walzrollenhalter 2 hydraulisch gelagert. Hierzu dienen zwei hydraulische Lagertaschen 4, 5, welche im Betrieb über ein hydraulisches Zufuhrsystem 6 im Walzrollenhalter 2 mit einer Flüssigkeit gespeist werden. Die Flüssigkeit wird werkzeugseitig über einen Zufuhrraum 7 in den Walzrollenhalter 2 gepresst; dort wird auch die Druckregelung vorgenommen, da das hydraulische Spei- sesystem 6 aus miteiner kommunizierenden Röhren besteht.

[36] Die Walzrolle 3 besteht aus einem Walzkörper 8 und zwei sphärischen Lagerkörpern 9, 10, welche als Kugelkalotten beiderseits des scheibenförmigen Walzkörpers 8 angeordnet sind. Die Walzrolle 3 kann einstückig hergestellt oder auch aus den drei Elementen Walzkörper und Kugelkalotten zusammengesetzt sein.

[37] Mit einem Lagerbereich 1 1 (nur auf einer Seite der Walzrolle 3 durch Schraffierung gekennzeichnet, auf der anderen Seite aber symmetrisch vorhanden) liegt die Walzrolle 3 im Betrieb auf einem Flüssigkeitsdruckpolster in den Taschen 4 und 5 auf. Walzkräfte, welche entlang einer Druckrichtung 12 auf ein Werkstück 13 ausgeübt werden, werden durch das Druckpolster in den Taschen 4, 5 zwischen der Lager- kontaktfläche 1 1 und dem Walzrollenhalter 2 zu einem werkzeugseitigen Anschluss 7 übertragen. So kann die Walzdruckkraft zwischen dem Werkzeug 1 und dem Werkstück 13 in höchstem Maße konstant gehalten werden.

[38] Beiderseits des scheibenförmigen Walzkörpers 8 ist im Walzrollenhalter 2 ein Schwenkspiel 14 vor- gesehen, sodass der Walzkörper 8 mit einem Arbeitsumfang 15 widerstandslos in eine außerhalb einer Zentralposition 16 gelegene Hohlkehle 17 ausschwenken kann. Hierbei drehen sich die Lagerkörper 9, 10 in den Taschen 4, 5, bis die Walzrolle ihre ausgeschwenkte Position in der Hohlkehle 17 erreicht hat. Der Drehimpuls, welchen die Walzrolle 3 dieser Verdrehung ihrer Rotationsachse 18 entgegensetzt, ist im Normalfall vernachlässigbar klein gegenüber den hohen Ausstellkräften, welche aufgrund der hohen Walzkraft wirken.

[39] Der Arbeitsumfang 15 wird durch diejenige streifenförmige Fläche gebildet, welche beim Überwälzen der Walzrolle 3 entlang des Werkstücks 13 mit dessen Hohlkehle 17 in Verbindung tritt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist - bezogen auf eine Rotationsachse 18 der Walzrolle 3 - der Werkstückkontaktbereich etwas schmaler als der scheibenförmige Walzkörper 8. Der Lagerkontaktbereich 11 ist beiderseits des Werkstückkontaktbereichs mit gewissem Abstand zum Walzkörper symmetrisch an der Walzrolle angeordnet. Durch unmittelbar an den Lagerkontaktbereich 1 1 anschließende und dessen sphärische Form weiterführende Schwenklagerbereiche 19, 20 (nur auf einer Seite des Wälzkörpers 3 gekennzeichnet) verändert sich eine Lagerfläche 21 und somit die Größe des Lagerkontaktbereichs nicht. Insofern erfahren auch die Kraftverhältnisse keine Änderung.

[40] Vorteilhaft und der erfinderischen Grundidee entsprechend wird zwar die Geometrie des Arbeitsumfangs beziehungsweise des Werkstückkontaktbereichs am Walzkörper durch die Werkstückgeometrie bestimmt; die werkzeugseitige Lagerung der Walzrolle und somit die Krafteinleitung erfolgt jedoch über einen hiervon getrennten Lagerkontaktbereich. Der Lagerkontaktbereich besteht aus Kugelkalotten beziehungsweise Kugelzonen beiderseits des Werkstückkontaktbereichs.

[41] Der Kugelmittelpunkt liegt dabei auf der zentralen Achse 16 und auf der Rotationsachse 18. Dadurch ist es möglich, die Walzrolle entweder hydrostatisch oder mechanisch mittels einer Gegenrolle zu lagern. In jedem Fall ist gewährleistet, dass die Walzrolle um den Kugelmittelpunkt ausschwenken kann und sich an einen ausmittigen zu walzenden Radius anschmiegen kann, ohne dass es zu Verklemmungen oder zu Veränderungen des Dichtspaltes kommt. Ferner beeinträchtigen Schäden der Rolle im Arbeitsbereich nicht mehr die Funktion der Lagerung und Krafteinleitung. [42] Eine Werkzeugvariante, die auch im Vorschubverfahren eingesetzt werden kann, beinhaltet werkzeugseitig eine axiale Lagerung der Walzrolle an beiden Planflächen. Diese Lagerung kann einerseits mechanisch über Kugel-, Nadel- oder Zylinderrollenlager erfolgen. Unter den genannten Aspekten ist es jedoch vorteilhaft, auch die axiale Lagerung hydrostatisch auszuführen. Dies gilt insbesondere bei einer hydrostatischen Lagerung der Walzrollen.

[43] Die Walzrolle 30 in Figur 2 besteht aus einem abermals in etwa scheibenförmigen Walzkörper 31, welcher die maximale Breite des Werkstückkontaktbereichs festlegt, und beidseitig des Walzkörpers 31 angeordneten tonnenförmigen Lagerkörpern 32, 33. Im dargestellten Schnitt wird eine Lagerkontaktfläche 34 (nur auf einer Seite des Walzkörpers 31 gekennzeichnet) durch einen Abschnitt 35 eines Kreisbogens um einen ersten Mittelpunkt 36 gebildet. Die Lagerkörper sind wie die gesamte Walzrolle 30 rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 37, daher ergibt sich im dargestellten Schnitt ein zweiter Mittelpunkt 38, um welchen die momentan nicht auf einem Lager 39 aufliegende Fläche des Lagerkontaktbereichs 40 kreisbogenförmig gezogen ist. Die Mittelpunkte 36, 38 liegen auf einer zentralen Achse 41 , welche gleichzeitig in der Ebene des Arbeitsumfanges liegt.

[44] Die im Schnitt kreisbogenförmige Lagerung ermöglicht es der Walzrolle 30, um den lagerentfernten Mittelpunkt 36 auszuschwenken. Die Walzrolle 30 in Figur 3 hat eine solche Ausschwenkung vollzogen. Dabei ist sie mit ihren tonnenförmigen Lagerkörpern 32, 33 entlang werkzeugseitiger Lagerflächen 42, 43 tangential verschoben, liegt aber in einem in der Breite mit dem Lagerkontaktbereich 40 aus Figur 2 identischen neuen Lagerkontaktbereich 44 weiterhin auf, solange nicht eine Verschiebung über einen Schwenklagerbereich 45 hinaus vollzogen ist.

[45] Da der gemeinsame Mittelpunkt der tonnenförmigen Lagerbereiche außerhalb der Walzrolle 31 liegt, ist diese unter statischen Gesichtspunkten stabil gelagert. Die dargestellte Lagerung eignet sich deshalb sogar für Festwalzoperationen im Vorschub bei zylindrischen Werkstücken oder Konturen mit großen Radien. Als werkzeugseitige Lagerung kommen mechanische Krafteinleitungslager in Betracht.

[46] Die Walzrolle 50 in Figur 4 besteht aus einem im Wesentlichen scheibenförmigen Walzköφer 51 und zwei Kugelkalotten 52, 53 zur Lagerung der Walzrolle 50. Da ein Mittelpunkt 54 der Kugelkalotten 52,

53 auf einer Rotationsachse 55 der Walzrolle 50 liegt, lässt sich diese ohne Weiteres um den Mittelpunkt

54 um einen Ausschwenkwinkel 56 (dargestellt in Figur 5) auslenken, ohne dass sich die Lagerverhälrnis- se verändern. Eine solche Lagerung eignet sich sowohl für mechanische als auch für hydraulische Kraft- einleitung. Selbst im maximal ausgeschwenkten Zustand verbleibt bei der dargestellten Walzrolle 50 ein Lagerkontaktbereich 57, 58 vollständig getrennt von einem Werkstückkontaktbereich 59. [47] Wie hochvariabel die Erfindung ist, zeigt sich auch an einer Festwalzrolle, einem Festwalzwerkzeug und einem Verfahren zum Festwalzen einer Oberflächenkehle eines Werkstücks.

[48] Eine beispielhafte Anwendungsbeschreibung hierzu erfolgt wiederum unter Bezug auf die Zeichnung, dort auf die Figuren 6, 7, 8 und 9. Dort zeigen

Figur 6 in einem Querschnitt einen Teil eines Festwalzwerkzeugs mit einem Rollenhalter 106 und zwei hierin hydrostatisch gelagerten Festwalzrollen 101, 124,

Figur 7 den Rollenhalter 106 aus Figur 6, wobei die Festwalzrolle 124 entfernt ist und in ihrer leeren Kammer 126 die Dichtgeometrie für die Rolle 124 schematisch dargestellt ist,

Figur 8 eine Ansicht unter die leere Rollenkammer 126 gemäß Kennzeichnung VIII-VIII in Figur 7,

Figur 9 in einem Querschnitt eine Ausführungsvariante für ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit zwei hohlkappenförmigen Walzrollen und

die Figuren 10, 1 1 und 12ein Werkzeug bzw. dessen Rollen nach dem Stand der Technik zum Festwalzen von Kurbelwellenkehlen.

[49] Ziel ist bei diesem Anwendungsbeispiel das Festwalzen von Hohlkehlen an dynamisch hoch beanspruchten Teilen. Dies können rotationssymmetrische Teile (130) mit einem Durchmesser (132) und einer Planschulter (131) sein. Diese rotationssymmetrischen Köφer können auf der gegenüberliegenden Seite durch eine gleichartige Planschulter (133) begrenzt sein. Diese Anordnung findet sich vorwiegend in Kurbelwellen, wobei der Durchmesser (132) sowohl ein Kurbelzapfen wie auch ein Lagerzapfen sein kann

[50] Fertigungstoleranzen der Kurbelwellen führen dazu, dass die Lagen der Planschultern (131, 133) in axialer Richtung abweichend positioniert sein können (131 ', 131 "; 133', 133"). Der Festwalzprozess kann jedoch nur optimal erfolgen, wenn der Rollenradius (102) in vollflächigem Kontakt mit der Hohlkehle (102') des Werkstücks steht. Da die Maßabweichungen der Werkstücke zufällig auftritt, müssen die Festwalzrollen in der Lage sein, sich bei jedem Einsatz an die tatsächliche Lage der Planschultern anzu- passen.

[51] Bisherige mechanische Systeme gemäß Figur 10 arbeiten mit Festwalzrollen (140), die durch Stützringe (141) gegen die Werkstückeradien (144) gedrückt werden. Hierzu werden gegenüber den Bearbeitungsstellen Kräfte (142) in die Rollen eingeleitet. Diese Krafteinleitung erzeugt eine hohe Hertz'sche Pressung in Stützringen und Rollen. In Kombination mit der an den Bearbeitungsstellen (144) ebenfalls hohen Hertz'schen Pressung verkürzt diese Beanspruchung die Lebensdauer der Festwalzrollen. Auch die mechanische Anordnung sieht die Schwenkbewegung (143) zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen vor. Diese Schwenkbewegung erfolgt jedoch um die Radiusmittelpunkte (144).

[52] Bisherige hydrostatische Systeme gemäß den Figuren 11 und 12 vermieden zwar die Beanspruchung der Rollen durch mechanische Krafteinleitung. Die auch bei dieser Variante erforderliche Schwenkbewegung um den Drehpunkt (150) führte zu einer Lageänderung der Festwalzrollen im Rollenhalter. Durch diese Schrägstellung kam es zu Profilverzerrungen von nahezu 0,2 mm. Dadurch wurde die Spaltdichtung in unzulässiger Weise verändert. Die Folge war eine zu hohe Leckrate und die damit unzuverlässige Ar- beitsweise des Systems.

[53] Die Verwendung eines hydrostatischen Lagers für eine Festwalzrolle und eines automatischen Nachfüllsystems in Verbindung mit einem solchen Werkzeug ist aus der EP 0 353 376 Bl bekannt. Eine wesentliche Eigenschaft hydrostatischer Lager ist die Spaltdichtung zwischen Rolle und Rollenhalter. Damit entweicht entlang der Dichtlinie (1 13, 1 14, 1 15) im Betriebszustand ständig eine gewisse Menge Druck- flüssigkeit. Damit kann die Festwalzrolle (101) berührungsfrei und damit reibungsfrei rotieren. Die durch den Dichtspalt entweichende Flüssigkeitsmenge muss wesentlich geringer als die von der Druckpumpe durch die Anschlussbohrung (127) lieferbare maximale Fördermenge sein. Ist dies nicht der Fall, fällt der Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer (126) ab und die Walzkraft (F) verringert sich. Dies ist nicht zulässig. Das Nachführsystem (106') reagiert auf eine aufwärts gerichtete Bewegung (125), die durch Lageän- derung des Rollenhalters gegenüber der Rolle den Dichtspalt geringfügig vergrößert. Bei zu geringem Druck in der Kammer (126) wird der Rollenhalter durch das Nachführsystem in Richtung (125') geringfügig abgesenkt, wodurch der umlaufende Dichtspalt verringert wird und der Flüssigkeitsdruck wieder ansteigt.

[54] Auch mit einer automatischen Nachfuhrung und einem hydraulischen Lager für eine Festwalzrolle konnten mit bislang bekannten Mitteln keine optimalen Ergebnisse beim Festwalzen der Kehlen bei schwankenden Maßen am Werkstück erreicht werden. Der vorliegenden Erfindung liegt hinsichtlich des hier nun ausführlich beschriebenen Anwendungsaspekts außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, welches mit wirtschaftlichen Mitteln eine optimale Oberflächenbehandlung gewährleisten kann. [55] Die Aufgabe nach diesem Aspekt der Erfindung lösen eine Festwalzrolle, ein Festwalzwerkzeug und ein Verfahren zum Festwalzen, so wie diese anhand der beiden Ausführungsbeispiele in den Figuren 6 bis 9 und in der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht sind:

[56] Die Festwalzrollen gemäß vorliegender Erfindung sind in der Lage, sich bei jedem Einsatz an die tatsächliche Lage der Planschultern anzupassen. Dazu sind die Festwalzrollen gemäß Figur 6 und gemäß Figur 9 derart in den Rollenhalter eingebaut, dass sie eine Schwenkbewegung um die Mittellinie (104') ausfuhren können. Ferner sind die Festwalzrollen um ihre eigene Mittellinie (101 ') drehbar. Beide Bewegungen können gleichzeitig ablaufen. Bei fortschreitendem Walzprozess findet im Bereich des Radius (102) eine plastische Formveränderung statt. Die Walzkraft (F) muss während des gesamten Prozesses konstant bleiben. Dies ist dadurch gewährleistet, dass die Festwalzrollen auch während des Prozesses unter Rotation in kreisbogenförmiger Richtung (125) um die Mittellinie (104') weiter schwenken können. Im Falle der Kurbelwellen ist der Einbau einer zweiten, spiegelbildlich angeordneten Festwalzrolle (124) zweckmäßig, um beide Hohlkehlen gleichzeitig zu bearbeiten. Diese Anordnung hat darüber hinaus den Vorteil, dass horizontal wirkende Kräfte (F) in entgegengesetzter Richtung wirken und sich damit aufhe- ben. Weder Werkstück noch Werkzeug werden mit horizontalen Kräften beaufschlagt. Eine solche Konstellation ist in Figur 6 dargestellt.

[57] In den Figuren 6 bis 8 sind für eine hydrostatische Festwalzrolle 101 mit Radien 102 oder einer anderen der Werkstückkontur entsprechenden Profilierung insbesondere folgende Merkmale dargestellt:

• Mindestens eine sphärische Begrenzungsfläche 103 (Kugelkuppe mit Radius 9)

• Mittelpunkt 104 der Kugelkuppe liegt auf Mittellinie 104', wobei die Mittellinie 104' die Zylinderachse der Auswölbung an der Dichtfläche 107 bildet. Die Dichtfläche 107 dichtet entlang der planen Seitenfläche 105 der Rolle 101 die Kammer 126 bis auf einen hydraulischen Leckagespalt ab.

• Planfläche 105

• Rollenhalter 106 mit Dichtfläche 107, zylindrisch ausgebildet mit Bezug zu Mittellinie 104', versehen mit Radius 108.

• Zylinderform der Dichtfläche 110 mit Radius 109 ebenfalls mit Bezug auf Mittelpunkt 104. • Ausnehmungen im Rollenhalter versehen mit Radiuszonen 102', die Dichtflächen 1 10 und 107 verbindend. Radiuszone 102' verlaufen bogenförmig entsprechend Mittellinie 11 1 im Abstand des Radius 1 12 von der Mittellinie 104'.

• Rollenhalter und Rolle bilden einen hydrostatischen Dichtspalt im Bereich der Kontaktlinien 1 13, 1 14, 115.

• Rollenhalter verbunden mit hydrostatischem Nachführsystem 106' wie in Patent EP 0 353 376 und entsprechenden nationalen und internationalen Patenten dieser Patentfamilie beschrieben.

• Federelemente 126 schwenken die Festwalzrollen in der Ruhestellung des Werkzeugs soweit zurück, dass eine Kollision der Rollen mit dem Werkstück beim annähern oder entfernen von der Bearbei- tungsstelle ausgeschlossen ist.

[58] Merkmale einer alternativen Ausgestaltung (Figur 9) sind vor allem eine hydrostatische Rolle entsprechend der vorstehenden Beschreibung, jedoch mit folgenden Merkmalen:

• Konkave sphärische Fläche 120, ausgebildet mit Radius 121 bezogen auf Mittelpunkt 104.

• Rollenhalter 123 ausgebildet mit konvexer sphärischer oder annähernd sphärischer Fläche 122, eben- falls mit Radius 121 bezogen auf Mittelpunkt 104.

[59] Insbesondere in Bezug auf die konkrete zweite vorgestellte Aufgabe werden daher auch folgende Lösungen als unter die Erfindung fallend beansprucht: a) Eine Festwalzrolle mit einem Rollbereich und zwei Seitenbereichen, wobei der Rollbereich im Einsatz der Festwalzrolle dazu bestimmt ist, an einem Werkstück rotierend entlang zu laufen, wobei die Festwalzrolle dadurch gekennzeichnet ist, dass sie an einem Seitenbereich eine zumindest weitgehend sphärische Form hat und im gegenüberliegenden Seitenbereich zumindest weitgehend flach ist. b) Eine Festwalzrolle mit einem Rollbereich und zwei Seitenbereichen, wobei der Rollbereich im Einsatz der Festwalzrolle dazu bestimmt ist, an einem Werkstück rotierend entlang zu laufen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Festwalzrolle rotationssymmetrisch um eine Rollachse, gleichzeitig aber spiegelasymmetrisch bezüglich jeder senkrecht zur Rollachse stehenden Ebene ist. c) Eine Festwalzrolle mit einem Rollbereich und zwei Seitenbereichen, wobei der Rollbereich im Einsatz der Festwalzrolle dazu bestimmt ist, an einem Werkstück rotierend entlang zu laufen, welche gekennzeichnet ist durch eine gleichsinnige, zumindest weitgehend sphärische Krümmung beider Seitenbereiche der Festwalzrolle.

d) Ein hydrostatisches Festwalzwerkzeug mit einer Rolle insbesondere nach einer der Lösungen (a), (b) oder (c), wobei das Werkzeug einen Rollenhalter mit einer Kammer zur Aufnahme und Führung der Festwalzrolle aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kammer eine Rol- lenöffhung und/oder einen zumindest in etwa parallel hierzu liegenden Querschnitt aufweist, welche bzw. welcher im Wesentlichen zwischen zwei Radiuszonen längserstreckt ist, wobei eine ers- te Begrenzung konvex gekrümmt und die gegenüberliegende Begrenzung konkav gekrümmt oder zumindest in etwa gerade ist.

e) Ein hydrostatisches Festwalzwerkzeug mit einer Rolle insbesondere nach einer der Lösungen (a) bis (c), wobei das Werkzeug einen Rollenhalter mit einer Kammer zur Aufnahme und Führung der Festwalzrolle aufweist, welches gekennzeichnet ist durch eine zumindest im Wesentlichen zylindermantelabschnittförmige Auswölbung an einer Außenwand der Kammer, wobei bevorzugt eine gegenüberliegende Dichtwand der Kammer sphärisch geformt ist, wobei ein Mittelpunkt der Sphärenform auf einer Achse des Zylinders liegt. Alternativ kann die äußere Dichtwand auch sphärisch geformt sein, wobei in diesem Falle die Mittelpunkte beider Sphärenformen aufeinan- derliegen.

f) Ein Verfahren zum Festwalzen insbesondere einer Oberflächenkehle eines Werkstücks, bevorzugt mit einer Festwalzrolle nach einer der Lösungen (a) bis (c) und/oder einem Werkzeug nach einer der Lösungen (d) oder (e), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Festwalzrolle zwischen zwei Dichtwänden in einem Rollenhalter einem hydrostatischen Druck ausgesetzt wird, welcher mit einer Leckage durch einen die Rolle umgebenden Dichtspalt eine Festwalzkraft auf das Werkstück ausübt, wobei durch die hydrostatische Beaufschlagung die Rolle aus einer Kammer in einem Rollenhalter hinauswandert, bis ein Gleichgewicht der Rolle zwischen Fluid- beaufschlagung und Werkstück erreicht ist, wobei die Rolle beim Austreten aus der Kammer auf ihrem Weg zur Werkstückoberfläche eine Schwenkbewegung ausführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Walzwerkzeug mit einer Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, wobei die Walzrolle während des Walzens mit einem Arbeitsumfang rotierend am Werkstück entlangläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsumfang in einem räumlich von einem Lagerkontaktbereich getrennten Werkstückkontaktbereich der Walzrolle liegt.

2. Walzwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkontaktbereich beiderseits des Werkstückkontaktbereichs angeordnet ist.

3. Walzwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine kreisbogenförmige Kontur hat.

4. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkontaktbereich beidseitig des Werkstückkontaktbereichs kreisbogenförmig mit einer Lagerkontur eines durchgehenden Kreisbogens vorgesehen ist, wobei ein Mittelpunkt des durchgehenden Kreisbogens in einer Ebene des Werkstückkontaktbereichs liegt.

5. Walzwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Tangenten am Werkstückkon- taktbereich und am Lagerkontaktbereich senkrecht zu einer Verbindung zum Mittelpunkt des Kreises liegen.

6. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine Tonnenform aufweist.

7. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine werk- zeugseitig mechanische Lagerung zur Aufnahme der Walzrolle.

8. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzrolle im Lagerkontaktbereich eine Sphärenform aufweist.

9. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine werkzeugseitig hydraulische, insbesondere hydrostatische, Lagerung zur Aufnahme der Walzrolle.

10. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schwenklagerbereich an der Walzrolle zum Beibehalten einer konstanten Lagerungsfläche bei einer Auslenkung der Walzrolle.

1 1. Walzwerkzeug mit einer hydraulisch gelagerten Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzrolle sphärisch gelagert, aber selbst asphärisch, insbesondere teilweise sphärisch, ist.

12. Walzwerkzeug mit einer Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzrolle eine hydraulisch gelagerte Formrolle ist.

13. Walzwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Hydraulikzuleitungen zu einer werkzeugseitigen Lagerung der Walzrolle.

14. Walzrolle zum Walzen, insbesondere Festwalzen, eines Werkstücks, wobei die Walzrolle einen im wesentlichen scheibenförmigen, um eine Rollenachse symmetrischen Werksrückkontaktkör- per aufweist, gekennzeichnet durch bezüglich der Rollenachse längs zum Werkstückkontaktkörper angeordnete, um dieselbe Achse rotationssymmetrische Lagerköφer.