Mechanische Werkzeuge zur Randzonenbeeinflussung

Aus dem Bereich der umformenden Verfahren, zu denen auch das Glatt- und Festwalzen gehört, gibt es eine Vielzahl von Werkzeugen und Werkzeugprinzipien. Eine weit verbreitete Ausführung der Werkzeuge zum Walzen von metallischen Oberflächen sind die sogenannten „mechanisch gelagerten Werkzeuge“. Diese basieren auf dem Prinzip, dass ein Wälzkörper mit einer definierten mechanischen Lagerung auf das zu bearbeitende Bauteil geführt wird. Der Begriff „Wälzkörper“ beschreibt bereits, dass es sich dabei um einen abwälzenden Prozess handelt, bei dem der Wälzkörper auf der Bauteiloberfläche abrollt. Die dabei entstehende Rotation des Wälzköpers wird auf zwei Arten vom Werkzeug aufgenommen.

1. Eigenlagerung des Wälzkörper – Wälzkörper wird an oder auf einem Lager montiert
2. Gegenlagerung mittels Stützlager – Wälzkörper wird geometrisch geführt und wälzt sich auf einem Gegenlager ab

Die unterschiedlichen Arten der Lagerung lassen eine Vielzahl an Wälzkörpergeometrien zu, so dass anwendungsbezogene Ausführungen erstellt werden können, um Zugänglichkeiten, Produktivität oder auch Randzonenkonditionierung zu beeinflussen.

Der Grad der Umformung im Bereich der Randzone und die weiteren damit verbundenen Effekte (Rauheit, Kaltverfestigung, Druckeigenspannungen) werden auch maßgeblich durch die einwirkende Kraft bestimmt.

Daher ist es für den erfolgreichen Prozess wichtig, die wirkende Walzkraft zu steuern. Das ließe sich mit einem steifen Werkzeugkonzept nur bedingt realisieren, da die Steifigkeit der Werkzeugmaschine und des Werkzeuges keine reelle Möglichkeit bieten, um z.B. auf Bauteiltoleranzen zu reagieren. Ein unnachgiebiges Werkzeug würde bei Toleranzänderungen auch eine variierende Walzkraft erzeugen und somit eine ungleichmäßige Randzone erzeugen. Aus diesem Grund sind nahezu alle Werkzeuge mit Federsystemen ausgestattet, die es ermöglichen die Walzkraft über die Maschinensteuerung zu manipulieren. Es wird sich zu Nutze gemacht, dass Federsysteme eine Federkennlinie haben – je stärker die Feder ausgelenkt wird, desto größer die erzeugt Kraft. Bezogen auf ein Werkzeug in einer Werkzeugmaschine bedeutet das, dass je stärker ein Wälzkörper auf ein Bauteil gedrückt wird, desto stärker lenkt das eingesetzte Federsystem aus und desto höher wird die Walzkraft. Als federndes System können diverse Konzepte eingesetzt werden. Neben Druck- und Zugfedern, Teller- und Blattfedern sind auch eigens ausgelegte Strukturen einsetzbar, bei denen die Werkzeugstruktur definiert geschwächt wird, um eine definierte Federcharakteristik zu designen.

Der Einsatzbereich der „mechanisch gelagerten Werkzeuge“ ist so umfangreich, wie auch einfach. Diese Werkzeuge können von konventionellen Drehmaschinen bis hin zu Dreh- und Fräszentren eingesetzt werden. Kleinstserien- bis Großserienproduktion sind umsetzbar, in dem das Walzwerkzeug direkt nach der Zerspanung in gleicher Aufspannung das Bauteil bearbeitet. Damit ist es programmierseitig wie ein Drehwerkzeug zu betrachten, dass sowohl im Einstich als auch im Vorschub die entsprechenden Bereiche bearbeiten kann.

Neben der schon erwähnten großen Gestaltungsfreiheit der Wälzkörpergeometrie, weisen „einrollige Werkzeuge“ eine zusätzliche Flexibilität auf, da diese Werkzeuge unabhängig z.B. vom Bauteildurchmesser eingesetzt werden können. Durchmessergebundene Werkzeuge werden „mehrrollige Werkezeuge“ genannt, wobei eben genau ein bestimmtes Maß mit diesem Werkzeug bearbeitet werden kann. Besonders in der Serienfertigung ist dieses von Vorteil, wenn die Menge der zu bearbeitenden Bauteile hoch ist und die Taktzeitbeeinflussung gering sein soll. Da hier mehrere Rollen gleichzeitig im Einsatz sind, sind die Vorschübe entsprechend höher im Vergleich zu einem einrolligen Werkzeug.