Grundlagen des Festwalzens

Das Festwalzen gehört – wie das Glattwalzen, das maschinelle Oberflächenhämmern oder auch das Kugelstrahlen – zu den Verfahren der mechanischen Oberflächenbearbeitung. Diese Prozesse werden immer dann eingesetzt, wenn die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften gezielt eingestellt werden sollen, um die Bauteilqualität oder -eigenschaften zu verbessern. Beim Festwalzen wird, wie bei den anderen Verfahren dieser Gruppe, die Oberfläche plastisch lokal durch eine mechanische Beanspruchung verformt.

Bild: Kaltverformung

Wie beim Glattwalzen wird auch beim Festwalzen ein Walzkörper mit einer definierten Kraft in die Oberfläche eines Bauteils gepresst. Durch ein Abrollen des Walzkörpers über die gesamte Oberfläche wird das ganze Bauteil positiv beeinflusst. Die auftretenden lokalen Kontaktpressungen zwischen Walzkörper und Oberfläche führen dazu, dass die Oberflächenrauheitsspitzen plastisch verformt werden. Diese Verformung ist üblicherweise bis in eine Tiefe von 0,2-1 mm unter der Oberfläche noch immer spürbar, wodurch die Randzone beeinflusst wird. Die lokalen Spannungen im Inneren der Randzone während der Bearbeitung führen dazu, dass Druckeigenspannungen eingebracht werden, die Härte gesteigert wird und es zu einer Kaltverfestigung der Oberfläche kommt.

Bild: Effekte des Festwalzens

Genau diese gewollt beeinflusste Randzone unterscheidet das Festwalzen vom Glattwalzen. Beim Glattwalzen ist es das Ziel, eine möglichst glatte Oberfläche zu erreichen. Die eingebrachte Verfestigung der Randzone ist eine positive Begleiterscheinung. Beim Festwalzen ist es genau andersherum. Hier ist die Einglättung der Rauheit ein Nebeneffekt. Das Ziel ist es hingegen, einen definierten Randzonenzustand zu erreichen. Aus diesem Grund sind auch die Anforderungen an das Festwalzen höher als an das Glattwalzen. Die Prozessparameter müssen im Vorfeld klar definiert werden, und es muss eine genaue Überprüfung der jeweiligen Walzparameter erfolgen. Unterschiede im Randzonenzustand sind üblicherweise nicht zerstörungsfrei überprüfbar, so dass die Prozessführung hier eben deutlich genauer sein muss. Neue smarte Werkzeuge, wie beispielsweise die ECOsense-Werkzeuge der ECOROLL AG sind daher in der Lage, die kritische Größe „Walzkraft“ im Prozess zu überwachen und Fehler direkt zu erkennen

Bild: Einfluss auf die Lebensdauer durch Festwalzen [Source: Denkena et al., 2016, Bearing World]

Die positiven Auswirkungen des Festwalzens werden insbesondere bei dynamisch beanspruchten Bauteilen deutlich. In der Literatur gibt es unzählige Nachweise, dass sich die Dauerfestigkeitsspannung für festgewalzte Bauteile gegenüber nicht gewalzten Teilen signifikant steigert. Verbesserungen um das 2 bis 5-fache der bisherigen Lebensdauer sind durch diesen einfachen und hochproduktiven Prozess möglich. Insbesondere in Zeiten einer notwendigen Steigerung der Ressourceneffizienz ist das Festwalzen daher ein hochgradig sinnvoller Prozess, da er zum einen sehr effizient und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig ist. Das bedeutet, mit diesem Prozess können Bauteile so modifiziert werden, dass sie größeren Belastungen dauerhaft Stand halten. Der Einsatz günstigerer Werkstoffe oder ein geringerer Materialeinsatz (Stichwort Leichtbau) ist somit möglich. Der Nutzen solcher Effekte kann in vielen Industriezweigen einen Beitrag dazu leisten, die CO₂-Bilanz der Bauteile zu reduzieren.

Wie auch das Glattwalzen kann das Festwalzen auf üblichen Dreh- und Fräsmaschinen durchgeführt werden. Je nach zu bearbeitender Bauteilgeometrie werden spezielle Werkzeuge konzipiert, um die geforderte Bearbeitung durchzuführen.

Im Vergleich zu den anderen Verfestigungsverfahren, wie Kugelstrahlen oder maschinelles Oberflächenhämmern, ist das Festwalzen in vielen Bereichen im Vorteil. Beispielsweise ist die Eindringtiefe der Eigenspannungen beim Festwalzen um ein Vielfaches höher als beim Kugelstrahlen. Der Grund hierfür liegt einfach in den größeren Abmessungen des Walzkörpers gegenüber dem Strahlgut. Dadurch entsteht eine größere Kontaktfläche am Bauteil, was wiederum zu einer höheren Eindringtiefe der Spannungen führt.