HG-Werkzeug bei der Bearbeitung eines Kegelrades
In der Konstruktion von Bauteilen ist die richtige Angabe der Oberflächenrauheit entscheidend für deren Qualität. Sie bestimmt zum Beispiel, wie groß der Reibwert der Oberfläche, wie leicht sie zu reinigen oder wie die optische Qualität ist. In jedem Fall bestimmt diese Angabe jedoch, wie teuer das Bauteil wird, weil ggf. aufwändige Prozesse genutzt werden müssen, um eine definierte Rauheit zu erreichen.
Gerade wenn es darum geht, Rauheitswerte von Rz < 1 µm zu erreichen, nutzen viele Prozessplaner wie selbstverständlich das Schleifen als finalen Fertigungsprozess. Oder sie steigen gar direkt auf das Polieren um. Das hat zur Folge, dass die Fertigung das Bauteil nach der geometrisch bestimmten Zerspanung auf der Dreh- oder Fräsmaschine anschließend auf eine zusätzliche Schleifmaschine transportieren muss, um dort die finale Oberfläche herzustellen. Dadurch entstehen hohe Kosten und Aufwände, die nicht zwingend sein müssten.
Eine Alternative zum Schleifen ist das Glattwalzen, auch bekannt als Rollieren. Dies kann unmittelbar auf der Dreh- oder Fräsmaschine erfolgen und benötigt keinen Maschinenwechsel auf eine Sondermaschine. Und dennoch können extrem niedrige Rauheitswerte von unter Rz = 1 µm erzeugt werden.
Glattwalzen erzeugt spanlos glatte Oberflächen
Beim Glattwalzen wird ein Walzkörper mit der Walzkraft auf die Oberfläche des Bauteils gepresst. Dieser Walzkörper kann als Rolle oder Kugel ausgeführt werden. Durch die entstehende Kontaktpressung und die Kinematik des Prozesses wird die Oberfläche plastisch verformt und die Rauheitsspitzen deutlich eingeebnet. Je nach Werkstoffhärte kann dies die Oberfläche bis zu 90-95% verbessern. Kinematisch ist das Glattwalzen dem Drehen ähnlich.
Neben dem positiven Effekt auf die Oberfläche wird beim Glattwalzen zusätzlich auch die Oberflächenrandzone positiv beeinflusst. Die hohen Pressungen erzeugen auch in den randnahen Bereichen eine Veränderung des Gefüges. Hier wird durch eine Kaltverfestigung die Härte gesteigert, und vor allem werden Druckeigenspannungen eingebracht. Dies führt dazu, dass ganz nebenbei auch noch die Lebensdauer des Bauteils gesteigert wird.
In einer Parameterstudie bei der ECOROLL AG Werkzeugtechnik aus Celle wurde untersucht, inwieweit die Oberflächenrauheit beim Einsatz von hydrostatischen Werkzeugen von der Vorbearbeitung und den Werkstoffparametern abhängt. Dazu wurde ein standarisierter Versuchsplan aufgestellt, in dem die Walzkugelgröße, der Walzvorschub und die Walzkraft variiert wurden. Dieser Versuchsplan wurde anschließend auf unterschiedliche Werkstoffe und Vorbearbeitungsparameter angewendet.
Werkstoffunabhängig können glatte Oberflächen erzeugt werden
Bei den hydrostatischen Walzwerkzeugen von ECOROLL wird eine Walzkugel mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt. Der Walzdruck von bis zu 600 bar wird über ein externes Hydraulikaggregat aufgebracht und erzeugt ein hydrostatisches Druckpolster an der Kugel. Durch das eingebaute Nachführsystem ist das Werkzeug unempfindlich gegen Geometrieabweichungen und gewährleistet zu jeder Zeit eine konstante Walzkraft.
Für die Versuche wurden zylindrische Bauteile aus drei verschiedenen Stahlwerkstoffen (C45, 42CrMo4 und X210CrW12) verwendet, sowie zwei unterschiedliche Aluminiumlegierungen (AlZnMgCu1,5 und AlCuMgPb). Zusätzlich wurde der Einfluss der Bauteilhärte untersucht, indem der C45 im ungehärteten und im gehärteten Zustand vorlag. Alle Werkstoffe wurden mit zwei unterschiedlichen Vorbearbeitungsparametern gedreht, um Ausgangsrauheiten von in etwa Rz = 12 µm und Rz = 40 µm zu erzeugen. Für das Hartdrehen wurden passendere Parameter verwendet. Ziel war hier in etwa eine Rauheit von Rz =4 µm bzw. 6 µm.
Das Ergebnis ist beeindruckend gut. Für alle Werkstoffe und Vorbearbeitungen lassen sich Glattwalzparameter finden, die eine signifikante Reduktion der Rauheit ermöglichen. Exemplarisch ist im Bild das Ergebnis für die gemittelte Rautiefe Rz beim Einsatz eines HG6-Werkzeugs dargestellt. Alle gezeigten Rauheitswerte sind dabei nach dem Walzen bei weniger als Rz = 1,8 µm, der überwiegende Teil der Versuche zeigt sogar eine Rauheit von weniger als Rz = 1 µm.
Gemittelte Rautiefe Rz beim Einsatz eines HG6-Werkzeugs
Dass dieses Ergebnis kein Zufall ist, stellt die ECOROLL AG täglich bei einer Vielzahl von Anwendungen unter Beweis. Im Falle eines Kegelrades eines PKW-Differentials (Werkstoff 16CD4- 42 HRC) konnte beispielsweise der geforderte Wert von Rz = 2 µm prozesssicher durch das Glattwalzen mit einem hydrostatischen Werkzeug vom Typ HG6 erreicht werden. Für den Kunden konnte dadurch die Prozesszeit um 20% verkürzt und die Werkzeugkosten um 15 % reduziert werden.
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