Warum die Regelung des Festwalzprozesses elementar für die Bauteilsicherheit ist

Technische Systeme, wie Maschinen oder Fahrzeuge, werden immer nachhaltiger. Ihre Ressourceneffizienz steigt, und sie werden immer leichter. Konstrukteure gelangen hier deshalb zunehmend an die Grenzen des Machbaren, was eine weitere Steigerung der Leistungsdichte angeht. 

Eine Möglichkeit besteht allerdings darin, Oberflächen- und Randzoneneigenschaften noch gezielter einzustellen und so zu optimieren. In diesem Werkstoffbereich wird das Bauteil mechanisch am höchsten belastet, wodurch Risse entstehen. Druckeigenspannungen, die gezielt in die Randzone eingebracht werden, können nachweislich die Entstehung von Rissen hemmen oder gar stoppen [1]. 

Als Konstrukteur und auch als Produzent von insbesondere auch sicherheitsrelevanten Bauteilen, stehen Sie jedoch vor der Herausforderung, dass die eingebrachten Druckeigenspannungen nicht durch eine einfache Qualitätskontrolle nachträglich nachgewiesen werden können. Deren Messung, insbesondere von tiefliegenden Eigenspannungen unter der Oberfläche, erfolgt in der Regel durch eine zerstörende Messung. Wie also kann das Einbringen von Eigenspannungen sicher gewährleistet und auch dokumentiert werden? 

Hier kommen die Werkzeuge von ECOROLL ins Spiel. Mit einer dynamischen Walzkraftregelung reduzieren sie die Schwankung der Eigenspannungen um bis zu 50% – und damit das Risiko von Bauteilversagen.

Bekannte Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen sind das Festwalzen oder auch das Kugelstrahlen. Beim Kugelstrahlen wird die Qualitätskontrolle über sogenannte Almen-Streifen durchgeführt. Dabei wird ein definierter Metallstreifen (Material, Abmessungen, etc.) zusätzlich in die Strahlanlage gelegt. Dieser wird auf die gleiche Art gestrahlt, wie das eigentliche Bauteil. Später wird dann die Verformung des Almen-Streifens gemessen. Durch die Änderung des Eigenspannungszustands verformt sich das dünne Blech. Über den Umformgrad kann so die Almen-Intensität bestimmt werden. Allerdings besteht damit noch keine Sicherheit, dass die notwendigen Eigenspannungen auch wirklich im Bauteil angekommen sind. 

Das Festwalzen ist hingegen deutlich besser reproduzierbar und vor allem definierbar. Der Festwalzprozess ist über die drei Hauptparameter Walzkörpergeometrie, Walzvorschub und vor allem Walzkraft sehr gut dokumentierbar. Mit der vor wenigen Jahren eingeführten ECOsense-Technologie lässt sich mittlerweile die Walzkraft für jeden einzelnen Prozess messen und auch dokumentiert ablegen. Bei den zuvor genutzten analogen Messuhren an den Werkzeugen gab es hingegen einen gewissen Spielraum beim Ablesen des Messuhrausschlags durch den Maschinenbediener. 

Untersuchungen am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover [2] haben immerhin gezeigt, dass - sofern der Prozess auf die gleiche Art und Weise durchgeführt wurde - die Schwankung des Eigenspannungszustands innerhalb der Messunsicherheit der Eigenspannungsmessung liegt (Bild 1). 

Gemäß dem Ansatz der Prozesssignaturen von Prof. Brinksmeier (Leibniz-IWT Bremen), ist für die Entstehung der Randzoneneigenschaften allerdings nicht die externe Belastung verantwortlich, sondern die interne Beanspruchung [3]. Für das Festwalzen bedeutet dies, dass die Dehnungen und Spannungen in der Kontaktzone mehr über die Eigenspannungen aussagen als die äußerlich anliegenden Walzkräfte. 

Zur Betrachtung wird die Hertz´sche Pressung als Hilfsgröße herangezogen. Sind Walzkraft und Walzkörpergeometrie gleich, aber die Geometrien des Bauteils unterschiedlich, dann sind auch die Kontaktpressungen unterschiedlich, was zu einem veränderten Eigenspannungszustand führt (Bild 2).

Kommt es bei einem Bauteil wirklich auf das richtige Einbringen der Eigenspannungen an, muss also nicht nur die Walzkraft, sondern vielmehr die Kontaktpressung zwischen Walzkörper und Bauteil berücksichtigt werden. 

Im Rahmen eines Forschungsprojekts gemeinsam mit dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover hat die ECOROLL AG eine dynamische Walzkraftregelung entwickelt, mit deren Hilfe die Kontaktpressung über die gesamte Bauteilgeometrie konstant gehalten werden kann. 

Für die Regelung wird ein Festwalzwerkzeug mit ECOsense-Technologie verwendet. ECOsense misst die Walzkraft des Werkzeugs im Betrieb und sendet das Kraftsignal per Bluetooth an ein Gateway. Dieses Gateway wurde nun mit einem Regelalgorithmus ausgestattet, bei dem ein Abgleich zwischen dem Ist- und Soll-Kraftwert stattfindet. Stimmen diese Werte nicht überein, kann über die offene Maschinenschnittstelle OPC/UA die Werkzeugzustellung korrigiert werden. Die korrigierten Zustellwerte werden ebenfalls an das Gateway übergeben. 

Damit ist es dem Gateway möglich, nicht nur den Soll-Kraftwert im Betrieb sicherzustellen, sondern auch die Bauteilgeometrie kann bestimmt werden. 

Um aus der Walzkraft die Kontaktpressung zu bestimmen, ist es erforderlich, für für den Prozess einen vollständigen Kraftverlauf zu erstellen. Das bedeutet, dass für jeden einzelnen Kontaktpunkt der Geometrie die Kontaktpressung und daraus die notwendige Festwalzkraft bestimmt werden muss. Die Kraftregelung ist nun in der Lage, nicht nur eine konstante Walzkraft für den gesamten Prozess einzuhalten, sondern die Walzkraft auch ortsaufgelöst sicher zu erreichen. 

Damit Effekt und Nutzen dieser Regelung quantifiziert werden können, wurde im Rahmen des genannten Projekts „KontRoll“ auch ein Vergleich mit gemessenen Eigenspannungen durchgeführt. Dafür wurde ein Bauteil (Bild 3) genutzt, das über unterschiedliche Geometrieelemente (Durchmesser, Radien, Geraden) verfügt. Für das Festwalzen wurde ein Werkzeug mit einer Walzrolle (Radius R = 2,5 mm) genutzt, die unter 45° angestellt war. 

Der Walzprozess wurde an zwei gleichen Bauteilen durchgeführt, dieser dabei aber auf unterschiedliche Weise ausgelegt. Die entwickelte Regelung war für den gesamten Prozessverlauf eingeschaltet. Bei der ersten Variante wurde die Walzkraft auf einem konstanten Niveau gehalten. Das gesamte Bauteil wurde immer mit einer Walzkraft F_w = 700 N festgewalzt. Beim zweiten Bauteil wurde für die Auslegung die Hertz´sche Pressung für jeden Kontaktpunkt konstant gehalten. Dafür wurde die Walzkraft entsprechend lokal angepasst. In Bild 3 ist das daraus resultierende Walzkraftprofil dargestellt. 

Anschließend wurden die Oberflächeneigenspannungen für beide Bauteile an sechs unterschiedlichen, aber charakteristischen Punkten gemessen. Die Messung erfolgte röntgenografisch nach dem aktuellen Stand der Technik. 

Das Ergebnis ist eindeutig. Beim Festwalzen mit konstanter Kraft schwanken die Eigenspannungswerte in den einzelnen Messpunkten um einen Mittelwert von s = -613 MPa mit einer Standardabweichung von 160 MPa. Beim Festwalzen mit einer konstanten Hertz´schen Pressung reduziert sich die Standardabweichung um ca. 50%. Das bedeutet, dass das Bearbeitungsergebnis bereits deutlich besser und die dynamische Prozessregelung der Festwalzkraft ein elementarer Baustein für die Herstellung von Leichtbaukomponenten ist. 

Dem aufmerksamen Lesenden ist es sicherlich aufgefallen, dass die Berechnung der Festwalzkraft über die Hertz’sche Pressung eine starke Vereinfachung des Prozesses darstellt. Die Hertz´sche Theorie ist eigentlich nur im Bereich einer elastischen idealen Oberfläche zulässig. Auch ist die Kontaktpressung nicht alleinig für die Entstehung der Eigenspannungen verantwortlich. Andernfalls wäre das Ergebnis im gezeigten Versuch nicht eine Reduktion um 50% der Standardabweichung, sondern eher um nahezu 100%. 

In Zukunft muss also noch stärker daran geforscht werden, die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessstellgrößen und Prozesssignatur zu ermitteln. Wenn diese bekannt sind, kann mit Hilfe der Regelung dieser Prozess noch weiter optimiert werden. 

Sie möchten mehr über die ECOsense-Technologie erfahren? Kontaktieren Sie unsere Experten oder informieren Sie sich hier über die Technologie: 

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Danksagung

Das Kooperationsprojekt (KK5032727PK3) „Kontaktspannung geregeltes mechanisches Festwalzen“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert und von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) betreut. Die ECOROLL AG und das IFW bedanken sich für die finanzielle Unterstützung in diesem Projekt.

Quellen: