Einführung in die Bearbeitung von Bauteilen durch maschinelles Oberflächenhämmern

Im Vergleich zum Kugelstrahlen oder auch Festwalzen ist das maschinelle Oberflächenhämmern zum Verfestigen von Bauteilen ein eher junges Verfahren, dessen Einsatz derzeit nur in speziellen Fällen erfolgt. Allerdings bietet das Verfahren sehr große Vorteile, da die Randzone eines Bauteils tiefer beeinflusst wird, der Prozess allerdings keine aufwändige Maschinentechnologie benötigt. Die Randzone kann durchaus bis zu einer Tiefe von 2-5 mm beeinflusst werden, ohne dass die Maschine dadurch besonders belastet wird. Warum das so ist und wie das maschinelle Oberflächenhämmern grundsätzlich wirkt, darauf werden wir im Folgenden eingehen. 

Wie der Name bereits sagt, geht es beim maschinellen Oberflächenhämmern (Abk. MHP für Machine Hammer Peening) um eine impulsförmige mechanische Oberflächenbearbeitung durch ein maschinengeführtes Werkzeug. Damit ordnet sich das Verfahren zwischen dem Kugelstrahlen und dem Festwalzen ein. Beim Kugelstrahlen treffen Strahlkörner mit einem Impuls auf die Oberfläche, die Einbindung des Prozesses in eine CNC-Maschine ist jedoch praktisch ausgeschlossen. Das Festwalzen kann hingegen in jede CNC-Maschine eingebunden werden. Allerdings ist der Walzkörper immer in einem kontinuierlichen Kontakt mit der Oberfläche. Die Umformgeschwindigkeiten sind langsamer und es kommt eben zu keiner impulsförmigen Umformung.

Beim MHP wird ein Schläger, dessen Geometrie erstmal völlig frei ist, über ein Schlagsystem beschleunigt und mit hoher Frequenz auf die Oberfläche geschlagen. Je nach Werkzeugtyp und Hersteller gibt es unterschiedliche Arten, um den Werkzeugeinsatz zu beschleunigen. Es können pneumatische-, elektromagnetische- oder piezoelektrische Systeme genutzt werden. In diesen Fällen ist eine zusätzliche Energiequelle notwendig. Beim pneumatisch-mechanischen Werkzeugkonzept ist das nicht der Fall, da wie bei einem Bohrhammer über eine Rotation eine Taumelscheibe in Bewegung versetzt wird, die wiederum ein Schlagsystem antreibt. Durch die Bewegung von Kolben und Zylindern wird ein pneumatischer Druck aufgebaut und der Kolben beschleunigt. Dieser trifft dann auf den Werkzeugeinsatz, der damit Richtung Oberfläche beschleunigt wird. 

Der Prozess selbst ist bei allen Werkzeugsystemen gleich und wird im Wesentlichen durch die Parameter Schlagfrequenz, Schlagenergie und Einschlagabstände/Überdeckungsgrade beschrieben. Zu dem Verfahren gibt es eine VDI-Norm in Erstellung (VDI 3416 Blatt 1), die den Prozess mit allen Prozessparametern beschreibt und definiert. Neben diesen Hauptstellgrößen ist die Form des Werkzeugeinsatzes entscheidend. Diese beeinflusst die Kontaktfläche und damit die bei gegebener Schlagenergie wirkende Pressung und damit Verformung der Oberfläche. Üblich sind Kugelkuppen mit einem definierten Radius. Allerdings sind auch andere Formen mit und ohne Oberflächenstruktur denkbar. 

Die Kinematik des Prozesses verläuft meistens mäanderförmig über die Oberfläche. Das bedeutet, eine Oberfläche wird abgezeilt. Dabei werden die Vorschubgeschwindigkeit und die Schlagfrequenz so gewählt, dass in Vorschubrichtung eine Überlappung der einzelnen Einschläge erfolgt. Üblich sind Überlappungen zwischen 30 – 80%. Dabei gilt: Je kleiner die Überlappung, desto produktiver der Prozess. Mit einem definierten Bahnversatz folgt dann die nächste Bahn. Auch hier wird der Bahnversatz so gewählt, dass eine Überlappung der Einschläge erfolgt.

Das Bild zeigt Oberflächentopografieaufnahmen für die Bearbeitung von 42CrMo4 mit einer Härte von 47 HRC. Es wurde mit einer Schlagenergie von E_kin = 120 mJ und drei unterschiedlichen Kuppendurchmessern gearbeitet. Es ist deutlich sichtbar, dass eine eher strukturierte Oberfläche zurückbleibt. Eine gewalzte Oberfläche wiese ein deutlich gleichmäßigeres Bild auf. Das Bild zeigt aber auch, dass die Schlagenergie, der Radius und der Werkstoff aufeinander abgestimmt sein müssen. Bei einem Durchmesser von d = 50 mm wird bei der gleichen Schlagenergie die Oberfläche kaum beeinflusst. 

Dies gilt allerdings nicht für das Ausbilden von Eigenspannungen. Obwohl bei diesen Parametern an der Oberfläche nichts sichtbar ist, bilden sich dennoch Druckeigenspannungen aus. Das Hämmern wirkt also auch hier bereits in der Tiefe. Auch in diesem Fall sind die Eigenspannungen größer, wenn zusätzlich eine plastische Verformung an der Oberfläche sichtbar ist. So zeigt das nächste Bild die Eigenspannungstiefenverläufe für den Schlägerkopf mit d = 12 mm. Es ist deutlich zu erkennen, wie sich mit zunehmender Schlagenergie vor allem die Tiefe der Druckeigenspannungen erhöht. Es hat zwar den Anschein, dass das Niveau vergleichbar ist, denn für einen Unterschied zwischen 30 und 185 mJ sind die Verläufe sehr ähnlich, allerdings muss hier die Tiefe beachtet werden. Bei Ek = 185 mJ liegt die Tiefenwirkung bei ca. 1,75 mm, bei 30 mJ hingegen nur bei ca. 1 mm. 

Quellen: