Als Fertigungsplaner kennen Sie das: Während Sie bei Zerspanwerkzeugen genau wissen, welche Werkzeuge Sie beschaffen können, fehlt Ihnen diese Erfahrung sicherlich bei Rollierwerkzeugen. Welches Werkzeug ist für Ihre Anwendung das Richtige? Welches ist das kosteneffizienteste Rollierwerkzeug für die Anwendung? Mit diesen 3 Schritten finden Sie das richtige Glattwalzwerkzeug oder Festwalzwerkezug – und Sie sparen Zeit und Kosten bei der Auswahl des passenden Rollierwerkzeugs. 

Beim Rollieren, auch als Glattwalzen oder Festwalzen bezeichnet, geht es darum, mit einem Walzkörper die Oberflächen plastisch verformen und mechanisch nachzuarbeiten. Das Rollieren ist also ein Oberflächenbehandlungsprozess, bei dem eine Walzrolle mit einer definierten Kraft auf die Oberfläche des Bauteils gepresst wird. Durch eine Relativgeschwindigkeit zwischen Walzrolle und Bauteiloberfläche, verfährt die Walzrolle über die gesamte Bauteiloberfläche. Die hohen Kontaktpressungen zwischen Werkzeug und Werkstück erzeugen dabei eine sehr starke Einglättung der Rauheitsspitzen (Verbesserung bis zu 95%) und einer Verfestigung der Randzone.

Rollierwerkzeuge für das Glatt- und Festwalzen

Grundsätzlich kann man zwischen mechanischen- und hydrostatischen Walzwerkzeugen unterscheiden. Bei den mechanischen Werkzeugen wird die Walzrolle durch eine mechanische Kraft auf die Oberfläche gepresst. Die Rolle ist dabei entweder selbst gelagert oder wird über ein Stützelement (Stützkegel oder Stützrolle) gehalten. 

Bei hydrostatischen Werkzeugen wird eine Walzkugel über ein hydraulikmedium (Öl oder KSS) mit hohem Druck auf die Oberfläche gepresst. Die Kugel wird dabei hydrostatisch vom Medium umströmt und gelagert. Die Werkzeuge sind sehr Verschleißarm und haben durch den Hub der Kugel die Möglichkeit kraftgeregelt Ungenauigkeiten auszugleichen. 

Wie findet nun aber der Fertigungsplaner das für die Anwendung passende Werkzeug?

In 3 Schritten zum passenden Werkzeug

Natürlich müssen für die Auswahl des Werkzeugs die Randbedingungen beachtet werden. Hierbei spielen die Maschine, das Bauteil und der Prozess selbst eine entscheidende Rolle. Die Randbedingungen müssen bekannt sein. Selbstverständlich können nicht alle Randbedingungen nachfolgend so abgedeckt sein. Außerdem ist die Anzahl verfügbarer Werkzeuge sehr groß. Wenn das grundlegende Werkzeugprinzip bekannt ist, kann dieses meiste sehr einfach auf die eigene Situation angepasst werden. 

Nachfolgend sollen daher drei Schritte beschrieben werden, mit denen effizient und einfach ein Werkzeugkonzept ausgewählt werden kann. Die Erfahrung zeigt nämlich, dass hierfür gar nicht so viele Fragen beantwortet werden müssen. 

Schritt 1: Ziel definieren – Oberflächen glätten, – verfestigen oder Präzisionsbohrung erzeugen 

Möchten Sie die Oberflächenrauheit reduzieren, die Randzone verfestigen oder eine Bohrung optimieren? Jedes Ziel erfordert ein anderes Werkzeug und eine andere Prozesskontrolle.

1. Oberfläche einglätten
   Soll das Verfahren dafür genutzt werden, die vorhandene Oberflächenrauheit nach dem Drehen, Fräsen oder Bohren zu reduzieren, dann spricht man von der Anwendung des Glattwalzens.
2. Verfestigen der Randschicht
   Ist das Ziel des Prozesses die Verbesserung der dynamischen Festigkeit oder soll eine bestimmte Oberflächenhärte erreicht werden, dann spricht man vom Festwalzen. Dabei werden Druckeigenspannungen induziert und eine Kaltverfestigung erreicht, durch die eine Härtesteigerung in der Randzone eingestellt wird.
3. Bohrungseigenschaften verbessern
   Für die Bearbeitung von Bohrungen gibt es spezialwerkzeuge. Soll eine Bohrung mit einer minimalen Rauheit erreicht werden, dann können spezielle Rollierwerkzeuge genutzt werden. Diese können mit dem Prozess des Schälens verbunden werden. Beim Schäl-Glattwalzen können Bohrungen und vor allem lange Rohre innen präzise hergestellt werden. 

Warum ist die Frage wichtig?
Beim Rollieren spricht man auch vom Glatt- oder Festwalzen. Beide Prozesse sind grundsätzlich identisch. Allerdings kann ich beim Glattwalzen das Ergebnis nachträglich sehr einfach Messen. Die Prozessführung ist also nachträglich steuerbar. 

Beim Festwalzen ist dies nicht so einfach möglich. Gerade, wenn es darum geht Druckeigenspannungen in die Randzone einzubringen, dann kann das Ergebnis nicht zerstörungsfrei gemessen werden. Hier muss die Prozessführung deutlich stärker überwacht werden. 

Aufgrund dessen gibt es einige Werkzeuge, die sich gut für eine solche Prozessführung eignen und solche, die optimal für das Festwalzen sind. 

Schritt 2: Werkstoffhärte prüfen – Warum 45 HRC die Grenze ist

Im zweiten Schritt geht es dann um die wichtigste Werkstoffeigenschaft bei der Werkzeugauswahl: Die Werkstoffhärte. Die Härte ist das Maß, dem Eindringen eines Gegenkörpers einen Widerstand entgegenzubringen. Bei gehärteten Werkstoffen (>45 HRC) sind dadurch die Belastungen für die Walzkörper deutlich größer. 

Es gibt spezielle Werkzeugtypen, bei denen die Walzkörper für die Bearbeitung der harten Werkstoffe geeignet sind. Mit diesen Werkzeugen können Werkstoffe mit einer Härte von bis zu 65 HRC bearbeitet werden. 

Des Weiteren ist bei harten Werkstoffen auch eine deutlich höhere Kraft notwendig, um die entsprechende Umformung zu erreichen. Auch hierdurch sind einige Werkzeuge begrenzt.   

Schritt 3: Geometrie analysieren – Welches Werkzeug passt zu Ihrer Anwendung?

Im dritten und letzten Schritt geht es dann darum, die eigentliche Geometrie auszuwählen. Aufgrund der Geometrie der Walzkörper, ihrer Anordnung und der Abrollrichtung im Werkzeug können bestimmte Werkzeuge nur für eine bestimmte Bauteil-Geometrie eingesetzt werden. 

Natürlich gibt es für etliche der in Bild 2 gezeigten Geometrien nicht nur ein mögliches Werkzeug. Durch die Auswahl der Geometrie kann die Liste der geeigneten Werkzeuge dann aber auf ein Minimum gekürzt werden. 

Die Werkzeuge selbst haben unterschiedliche Größen und Walzkräfte. In der Liste der möglichen Werkzeuge muss dann das für die Randbedingungen passende Werkzeug ausgewählt werden. Am Beispiel einer zylindrischen Geometrie kann dies gezeigt werden. Hier gibt es im Grunde 4 Werkzeugtypen, die sehr ähnlich aufgebaut sind, aber jeweils für eher kleine oder eher große Bauteile und Maschinen geeignet sind.

Wichtig ist, dass es bei hier der Auswahl des Werkzeugs immer um das Grundprinzip der Rollenlagerung und Kraftaufbringung geht. Die Orientierung des Walzkörpers oder der Einspannung des Werkzeugs sind oftmals frei wählbar. Auch, ob das Werkzeug mit einer Spannleiste, einer VDI- oder Capto-Aufnahme ausgestattet ist, das sind Detailfragen, die dann im Austausch mit ECOROLL definiert werden müssen. Dafür stehen unsere geschulten technisches Vertriebskollegen gerne zur Verfügung.

Mit dem Toolfinder zum richtigen Werkzeug

Auf der Homepage von ECOROLL gibt es mit dem Toolfinder eine geleitete Werkzeugauswahl durch genau diese drei Fragen. Das Ergebnis ist eine Liste mit möglichen Werkzeugen, die für Ihre Anwendung in Frage kommen. 

Nach Start des Toolfinders müssen Sie lediglich die drei genannten Fragen beantworten und schon gelangen Sie direkt zu einer Auswahl der passenden Werkzeuge. 

Sie möchten das optimale Rollierwerkzeug für Ihre Anwendung finden? Nutzen Sie jetzt unseren kostenlosen Toolfinder oder kontaktieren Sie unsere Experten für eine individuelle Beratung.

Warum das Festwalzen von Dehnschrauben kein Kompromiss ist

Dehnschrauben in der Luftfahrt sind mehr als nur Verbindungselemente: Sie sichern lebenswichtige Komponenten wie Triebwerksaufhängungen – und müssen dabei extreme Schwingungen, thermische Belastungen und höchste Sicherheitsanforderungen meistern. Doch selbst moderne Titanlegierungen erreichen oft nicht die geforderte 100-prozentige Dauerfestigkeit. Die Folge: aufwendige Nacharbeit, erhöhte Ausschussraten oder sogar Sicherheitsrisiken.

Wie lässt sich dieses Problem lösen, ohne Kompromisse bei Gewicht, Material oder Wirtschaftlichkeit einzugehen? Die Antwort liegt im Festwalzen – einem mechanischen Oberflächenbearbeitungsverfahren, das nicht nur die Oberflächenqualität verbessert, sondern gezielt Druckeigenspannungen in die Randzone einbringt. Ein Kundenprojekt von ECOROLL zeigt: Mit dem richtigen Werkzeug und den passenden Prozessparametern lassen sich Dehnschrauben aus Titan in nur 28 Sekunden so bearbeiten, dass sie zuverlässig die geforderte Lebensdauer erreichen – bei gleichzeitiger Kostensenkung um 25 % und einer 30 % kürzeren Bearbeitungszeit.

Die Herausforderung: Titanlegierungen und hohe Sicherheitsanforderungen

Titan ist ein beliebter Werkstoff in der Luftfahrt, weil er leicht ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit besitzt. Mit einer Festigkeit von 1.600 MPa und einer Härte von 49 HRC bietet die hier verwendete Titanlegierung beste Voraussetzungen für hochbelastete Bauteile. Doch genau diese Eigenschaften machen die Bearbeitung so anspruchsvoll, z. B. bei der Zerspanung.

In der Luftfahrt zählt jedes Gramm. Genau deshalb wird Titan hier besonders gerne eingesetzt. Allerdings müssen natürlich auch die Titanbauteile absolut ausfallsicher sein. Genau hier stoßen viele Hersteller an ihre Grenzen – und suchen nach alternativen Lösungen, die sowohl die Festigkeit als auch die Wirtschaftlichkeit verbessern.

Die Lösung: Festwalzen mit dem ECOROLL HG6-9-Werkzeug

ECOROLL setzt auf das Festwalzen – ein rein umformendes Verfahren, das ohne Materialabtrag auskommt und gezielt die Randzone des Bauteils verfestigt. Im konkreten Anwendungsfall kam das HG6-9-Werkzeug zum Einsatz:

• Werkzeugaufbau: Eine 6-mm-Kugel auf einer Spannleiste, die normal zur Oberfläche (0°-Anstellung) positioniert wird. Dadurch wirkt die Anpresskraft optimal und gleichmäßig.
• Prozessparameter:
  • Anpresskraft: 300 bar Walzdruck (≙ 750 Newton)
  • Walzgeschwindigkeit: 150 Meter pro Minute
  • Vorschub: 0,1 mm pro Umdrehung
• Bearbeitungszeit: 28 Sekunden pro Schraube – wirtschaftlich und reproduzierbar.

Warum diese Parameter?

• Die Walzkraft erzeugt eine optimale Flächenpressung und bringt die maximalen Druckeigenspannungen in die Randzone ein, ohne den Werkstoff zu schädigen.
• Der gewählte Vorschub erzeugt eine ausreichende Überdeckung der Oberfläche, bei einer gleichzeitig hohen Wirtschaftlichkeit des Prozesses.
• Das Ergebnis: Eine homogene Druckeigenspannung in der Randzone, die Mikrorisse verhindert und die Dauerfestigkeit um bis zu 100 % steigert.

Anwendungsbeispiel: Dehnschraube für die Triebwerksaufhängung

Ein Luftfahrtzulieferer stand vor folgendem Problem: Seine Dehnschrauben aus Titan erfüllten zwar die mechanischen Anforderungen, erreichten aber noch nicht durchgängig die geforderte Dauerfestigkeit. 

Mit dem Festwalzen von ECOROLL gelang der Durchbruch:

1. 100 % Dauerfestigkeit: Alle geprüften Bauteile bestanden die Lebensdauertests.
2. 25 % Kostensenkung: Geringerer Werkzeugverschleiß, weniger Nacharbeit.
3. 30 % Zeitersparnis: Die Bearbeitungszeit reduzierte sich von ursprünglich über 40 Sekunden auf 28 Sekunden.
4. Leichtbaukompatibel: Kein zusätzlicher Materialeinsatz, keine Gewichtszunahme.

Fazit des Kunden:

Mit dem Festwalzen konnte nicht nur die Dauerfestigkeit sichergestellt werden, sondern es wurden auch die Fertigungskosten deutlich gesenkt, sodass der Prozess heute fester Bestandteil der Produktion ist. 

Warum Festwalzen die bessere Wahl ist

1. Gezielte Verfestigung: Druckeigenspannungen erhöhen die Ermüdungsfestigkeit – besonders wichtig bei dynamischen Belastungen.
2. Wirtschaftlich: Kürzere Bearbeitungszeiten und längere Werkzeugstandzeiten senken die Stückkosten.
3. Nachhaltig: Kein Materialabtrag, keine zusätzlichen Chemikalien – ideal für klimafreundliche Produktion.
4. Flexibel: Das Verfahren lässt sich auf verschiedene Werkstoffe und Bauteilgeometrien anpassen.

Fazit: Dauerfestigkeit ist kein Zufall, sondern das Ergebnis des richtigen Prozesses

Dehnschrauben in der Luftfahrt müssen absolut zuverlässig sein – und das bei minimalem Gewicht und maximaler Wirtschaftlichkeit. Das Festwalzen mit ECOROLL-Werkzeugen bietet hier eine nachweislich überlegene Lösung:

• 100 % Dauerfestigkeit für alle Bauteile.
• 25 % geringere Kosten und 30 % schnellere Bearbeitung.
• Prozesssicherheit, die den strengen Anforderungen der Luftfahrt gerecht wird.

Sie stehen vor ähnlichen Herausforderungen? Ob Titan, Stahl oder andere Hochleistungswerkstoffe: ECOROLL entwickelt maßgeschneiderte Festwalz-Lösungen für Ihre Anwendung. Kontaktieren Sie uns für eine individuelle Beratung.

So kann die Wirkung von Eigenspannungen abgeschätzt werden

Die Wirkung von Eigenspannungen in der Konstruktionsphase abzuschätzen, ist nicht immer leicht. Grundsätzlich ist bekannt, dass Eigenspannungen die Bauteillebensdauer signifikant beeinflussen können. Aus diesem Grund werden Prozesse wie das Festwalzen, Oberflächenhämmern oder ebenfalls das Kugelstrahlen auch immer wieder eingesetzt. Sie erzeugen die notwendigen Druckeigenspannungen in der Randzone und sind so maßgeblich dafür verantwortlich, die Lebensdauer eines dynamisch belasteten Bauteils zu verlängern. Für die Konstruktionsabteilungen ist es aber immer noch schwer, dies in der Berechnung mit zu berücksichtigen. Nachfolgend wollen wir erklären, wie eine erste grobe Abschätzung erfolgen kann und wie es eigentlich dazu kommt, dass Eigenspannungen eine Wirkung auf die dynamische Festigkeit haben.

Eigenspannungen sind innere Spannungen im Gefüge

Zunächst müssen wir verstehen, was Eigenspannungen eigentlich sind. Eigenspannungen sind Spannungen im Gefüge eines Bauteils, die auch dann vorliegen, wenn keine äußeren Kräfte, Momente oder Temperaturgradienten am Bauteil anliegen, das Bauteil also vollkommen unbelastet im Raum steht. Sie können überall in der Fertigungskette entstehen und sind die Folge von mechanischen und thermischen Lasten während der einzelnen Fertigungsschritte. So können beim Gießen sogenannte Gusseigenspannungen entstehen, weil das Bauteil unterschiedlich schnell in den verschiedenen Bereichen abkühlt. Sie können bei der Zerspanung aufgrund der starken thermo-mechanischen Belastungen durch die Schneide entstehen oder auch gezielt mittels mechanischer Verfestigungsprozesse erzeugt werden. 

Grundsätzlich unterscheidet man bei Eigenspannungen, wie auch bei Lastspannungen, zwischen Zug- und Druckeigenspannungen. Zugeigenspannungen werden mathematisch durch eine positive Zahl beschrieben, Druckeigenspannungen durch eine negative Zahl. Verallgemeinert gesprochen kann man sagen, dass Druckeigenspannungen die Lebensdauer von Bauteilen verlängern, Zugeigenspannungen diese hingegen verkürzen. 

Der Grund liegt in der Rissinitiierung durch Spannungsspitzen. Wird die Zugspannung an einem Punkt im Bauteil zu groß, wird es an dieser Stelle einen Riss bekommen. Zunächst ist dieser Riss klein, wird aber mit weiterer Belastung immer größer bis es schließlich zum Versagen des Bauteils kommt. Vereinfacht kann man sich vorstellen, dass Zugeigenspannungen zusätzlich an dem Riss ziehen und ihn somit schneller wachsen lassen. Druckeigenspannungen wirken der Rissausbreitung entgegen und verlangsamen somit das Risswachstum.

Überlagerung von Last- und Eigenspannungen

Wie alle Spannungen können auch Eigenspannungen mit den Lastspannungen überlagert werden. Das kann durch eine einfache Superpositionierung passieren. Sprich, die Last- und Eigenspannungen werden einfach miteinander addiert. Das Ergebnis ist dann eine resultierende Spannung. Am Beispiel eines einachsigen Spannungszustands, also eines Stabs, können wir dies leicht nachvollziehen. Wird an diesem Bauteil eine einachsige Zugspannung von s_Last = 600 MPa aufgebracht und es hat keine Eigenspannung, dann ist die resultierende Spannung weiterhin s_Res = 600 MPa. Wird der Stab hingegen mit einer Druckeigenspannung s_ESP = -200 MPa in der gleichen Richtung versehen, dann werden mathematisch die 200 MPa von den 600 MPa abgezogen und die resultierende Spannung beträgt s_Res = 400 MPa. Ein Stab der beispielsweise bei 550 MPa versagen würde, könnte somit im zweiten Fall verwendet werden, im ersten Fall nicht. So kann die Wirkung von Eigenspannungen nachvollziehbar erklärt werden.

Wie ist das nun aber in einem mehrachsigen Spannungszustand? Hier muss das Konzept natürlich auf den gesamten Spannungstensor angewendet werden. In diesem Fall müssen für jede Komponente aus dem Spannungstensor die entsprechenden Eigenspannungswerte verwendet werden. Es müssen beispielsweise in der x-Richtung die Hauptspannung s_x mit den Eigenspannungen in x-Richtung verrechnet werden. Führt man dies für alle Komponenten sowie auch die Schubspannungen durch, bekommt man einen vollständigen eigenspannungsbehafteten Spannungstensor [1]. 

Damit man nun die Wirkung auf die Festigkeit abschätzen kann, können die Konzepte der Vergleichsspannung angewendet werden. Damit wird der Spannungstensor auf einen einzigen Spannungswert komprimiert und kann mit den Festigkeitskennwerten aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm verglichen werden. 

Die vorgestellte Methode ist natürlich keine vollständige Lebensdauerbewertung, und für eine Abschätzung der dynamischen Festigkeit müssen immer weitere Berechnungen oder auch Versuche durchgeführt werden. Allerdings erlaubt die vorgestellte Methode, die Wirkung von Eigenspannungen grob abzuschätzen. Effekte, wie eine zusätzliche Verfestigung des Gefüges oder ein Eigenspannungsabbau während der Belastung, werden aber auch damit nicht berücksichtigt. 

[1]Mörke, T.: Randzonenanalyse zur Bestimmung mechanischer Belastungen im Lebenszyklus spanend gefertigter Bauteile. Dr.-Ing. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2016

Für den Zylinder bedeutet das, dass gerade in der Zylinderrohrfertigung auf fertig bearbeitete Rohre zurückgegriffen wird. Die Rohre sind innen komplett bearbeitet und müssen lediglich auf Länge gebracht und mit Anschlussmaßen versehen werden. Die Rohrfertigung wird heute durch den kombinierten Prozess Schäl-Glattwalzen auf Tiefbohrmaschinen erledigt. Im Vergleich zum früher üblichen Honen konnte so die Bearbeitungszeit signifikant reduziert werden. 

Die Frage ist aber, ob vor dem Hintergrund steigender Preise nicht auch eine Komplettbearbeitung auf einer üblichen Werkzeugmaschine in der eigenen Fertigung erfolgen kann? Dies würde die Flexibilität erhöhen und gleichzeitig Kosten für das Rohmaterial drastisch senken. 

SKIOC-Werkzeuge zum Schälen von Rohren auf Standard-Werkzeugmaschinen

ECOROLL hat daher das Prinzip der Schäl-Glattwalzwerkzeuge übernommen und für die Nutzung auf Dreh- oder Fräsmaschinen angepasst. Mit den sogenannten SKIOC-Werkzeugen lassen sich heute auch Rohre durch Innenschälen direkt auf der Maschine herstellen. 

Die Werkzeuge bestehen aus einem Grundkörper in dem zwei oder drei Schälmesser enthalten sind. Auf jedem Schälmesser sind zwei spezielle Wendeschneidplatten zum Innenschälen hintereinander angeordnet. Der Vorschneider bringt die Bohrung zunächst auf ein einheitliches Maß, man könnte sagen, er säubert die Bohrung. Der Fertigschneider erzeugt dann mit einer Schnitttiefe von a_p = 0,1 – 0,2 mm die finale Oberfläche. 

Damit eine perfekt runde Bohrungsform entsteht, wurde das bewährte OMEGA-Prinzip übernommen. Dabei beeinflussen sich die Schälmesser gegenseitig. Sie sind schwimmend gelagert, so dass ein Eindrücken eines Schälmessers zum Ausfahren der anderen Messer führt. Führungsleisten führen das Werkzeug dann entsprechend in der vorhandenen Bohrung. 

Durch die Anzahl von zwei oder drei Schneidmessern und die Orientierung der Schneide eher in axialer Richtung lassen sich sehr produktive Schnittwerte realisieren. Eine Schnittgeschwindigkeit von v_c = 100 – 300 m/min kombiniert mit einem Vorschub von f = 1 – 3 mm ist für diesen Prozess üblich. 

Das Werkzeug wird durch den Kühlschmierstoffdruck aktiviert, wodurch die Schneiden nicht nur stabil auf dem Bearbeitungsdurchmesser bleiben, sondern auch nach dem Prozess kollabieren und im Eilgang aus der Bohrung gezogen werden können. Dabei wird die erzeugte Oberfläche nicht zerstört. Für die Aktivierung muss die Maschine entsprechend nachgerüstet sein. Die Anforderungen liegen hier bei einem Druck von mindestens 70 bar und einer Durchflussmenge von 12-24 l/min.

Die hohe Durchflussmenge wird vor allem dafür benötigt, die Späneabfuhr zu unterstützen. Düsen an der Schneide schießen die Späne nach vorne aus dem Rohr heraus. Eine Abfuhr nach hinten, wie beim klassischen Bohren ist leider nicht möglich. Dies führt zu einer zweiten technischen Anforderung an die Maschine: Die Späne müssen sicher aus dem Rohr herausgeführt werden. 

Dazu muss das Spannmittel so gestaltet sein, dass hinter dem Rohr ein offener Spanraum vorhanden ist. Das Bild zeigt zum Beispiel eine offene Laterne hinter dem Spannmittel, in der sich Späne sammeln und auch herausgeschleudert werden können. Das Spannmittel muss hier dann individuell auf das Bauteil ausgelegt sein. 

Produktive Bearbeitung von Zylinderrohren durch Schälen und Glattwalzen

Durch das Schälen, also den Zerspanprozess, wird bereits eine hohe Rundheitsgenauigkeit von IT8 erreicht. Gleichzeitig lässt sich aber auch das Oberflächenergebnis sehen. Am Beispiel eines Kundenversuchs, bei dem ein Rohr aus 42CrMo4 bearbeitet wurde, konnte wir eine gemittelte Rautiefe von R_z = 8 µm und eine arithmetische Rauheit von R_a = 2 µm erreichen. Dabei wurde mit einer Schnittgeschwindigkeit von v_c = 175 m/min und einem Vorschub von f = 3,5 mm gearbeitet. 

Für die Herstellung eines Hydraulikzylinders reicht diese Oberflächenqualität natürlich noch nicht aus. Ein üblicher Glattwalzprozess mit einem mehrrolligen mechanischen Werkzeug als finaler Bearbeitungsschritt ist dann aber in der Lage die Oberflächenqualität auf einen R_a-Wert von R_a < 0,1 µm zu reduzieren. Und dies ist eine ausreichende Qualität für die Fertigung von Hydraulikzylindern. 

Oberflächen- und Randzoneneigenschaften in Richtlinien richtig berücksichtigen

Im Maschinenbaustudium lernen die Studierenden bereits im ersten Semester, wie wichtig es ist, Wellenübergänge richtig auszulegen. Die mechanischen Lasten sind an Kerbstellen in jedem Bauteil besonders hoch und meistens verantwortlich für den mechanischen Bruch eines Bauteils. Besonders gut lässt sich dies an Getriebewellen verdeutlichen. In einem Getrieben wirken unterschiedliche Belastungsarten auf die Bauteile, von Zug-Druck über Biegeumlauf bis hin zu Torsion; und das auch noch meist überlagert. An Wellenabsätzen sind dann die mechanischen Lasten besonders groß und führen so hier zur Rissinitiierung.

Damit der Konstrukteur diese Stellen einfach auslegen kann, gibt es hierfür einige Richtlinien. Diese Frameworks sind im Grunde Berechnungswege, um eine Ausfallwahrscheinlichkeit für die vorliegende Geometrie zu bestimmen. Richtlinien wie die FKM-Richtlinie, die DIN 743 oder die neue FVA-Richtlinie standardisieren die Auslegung und sorgen so für eine sichere Dimensionierung von Bauteilen.

In den Richtlinien werden unterschiedliche Faktoren mitberücksichtigt, so zum Beispiel der Werkstoff, die äußere Belastung oder die Kerbform. Da die Risseinleitung in der Regel immer von der Bauteiloberfläche ausgeht und die hier vorliegenden lokalen Eigenschaften dies beschleunigen oder verzögern können, kommen den Oberflächen- und Randzoneneigenschaften in der Festigkeitsberechnung eine besondere Bedeutung zu. Trotzdem ist die Berücksichtigung von Fertigungsprozessen wie der mechanischen Oberflächenbearbeitung in den Richtlinien noch immer schwierig, obwohl deren positive Wirkung bereits seit nahezu 100 Jahren bekannt und wissenschaftlich belegt ist.

Die drei genannten Richtlinien berücksichtigen die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften unterschiedlich detailliert und genau. Die Rauheit wird in allen drei Richtlinien berücksichtigt. Dies erscheint auch absolut logisch, da die Oberflächenrauheiten Mikrokerben darstellen, von denen die Risse ausgehen können. Die Härte und die vorliegenden Eigenspannungen werden unterschiedlich berücksichtigt. Die neuere FVA-Richtlinie nutzt diese Eigenschaften bereits in der Berechnung. Die verbreiteteren Frameworks der FKM und der DIN 743 fassen die Härte und Eigenspannung in dem sogenannten Kv-Faktor zusammen. Möchte der Konstrukteur diese Eigenschaften berücksichtigen nutzt er diesen Korrekturfaktor. Beispielsweise wird, wenn ein Bauteil festgewalzt oder kugelgestrahlt werden soll, der Kv-Faktor mit einem Wert leicht über 1 angesetzt. Je größer der Wert ist, desto größer ist der zu erwartende Effekt des Festwalzens oder Kugelstrahlens. Je dichter der Wert an 1 liegt, desto weniger Einfluss durch die Bearbeitung wird erwartet. Da der Konstrukteur für die Festigkeit des Bauteils verantwortlich ist, wird er diesen Wert immer eher konservativ und nahe 1 wählen. Das hat zur Folge, dass rein rechnerisch meistens die mechanische Oberflächenbearbeitung keine Vorteile bringen kann und deshalb nicht eingesetzt wird. Wenn jedoch langfristig Ressourcen eingespart werden sollen durch die Nutzung des Festwalzens, Oberflächenhämmerns oder auch des Kugelstrahlens, dann muss die Vorhersagegenauigkeit der Richtlinien weiter gesteigert werden.

Frau Günther und ihren Kollegen haben sich in ihrer Studie genau mit dieser Frage beschäftigt: Wie lässt sich die Treffsicherheit der Festigkeitsnachweise von festgewalzten gekerbten Bauteilen bewerten?

Vorgestellt wurden Untersuchungen zu unterschiedlich gekerbten Prüfbauteilen aus 42CrMo4 + QT. Die Prüfteile hatten drei unterschiedliche Kerbformen: ungekerbt, mild gekerbt und scharf gekerbt. Der Durchmesser für die Prüflinge wurde zwischen 10 und 36 Millimetern variiert. Es wurden sowohl kleine Prüfkörper als auch Realbauteile untersucht. Für die Lebensdauerbewertung wurden Untersuchungen unter Zug-Druck-, Biegeumlauf- und Torsionsbelastung durchgeführt und im Anschluss ein Vergleich mit den theoretisch berechneten Vorhersagen angestellt.

Festwalzen verdoppelt die Bauteillebensdauer

Das Festwalzen der Kerbradien wurde mit einem einrolligen mechanischen Walzwerkzeug vom Typ EG5-1 mit einer 40M-Rolle durchgeführt. Der Rollenradius wurde jeweils passend zum Kerbradius ausgelegt. In Voruntersuchungen wurden die passenden Festwalzkräfte und Vorschübe herausgearbeitet. Die Bearbeitung der Proben wurde bei einem Lohnfertiger unter Serienbedingungen mit gleichbleibender Qualität durchgeführt, um die Streuung der Versuche zu minimieren.

Der Vergleich mit den berechneten Werten aus den Richtlinien kann der Veröffentlichung entnommen werden. Die Ergebnisse zeigen aber, dass gerade für gekerbte Proben unter Biegeumlaufbelastung das Festwalzen einen enormen Vorteil bringt und die Festigkeit der Wellen fast verdoppelt werden kann. Das Diagramm zeigt den Vergleich zwischen jeweils einer mild gekerbten und einer scharf gekerbten Welle mit und ohne Festwalzen. Dabei werden die beiden Belastungen Zug-Druck und Biegeumlauf dargestellt.

Zu sehen ist, dass mit schärfer werdender Kerbe die Nennspannungsamplitude absinkt, also die Bauteile weniger Last aushalten können. Das gilt für den Zug-Druck Fall, wie auch für die Biegeumlaufbelastung. Das Festwalzen kann in jedem Fall die Nennspannungsamplitude steigern, wobei dieser Effekt mit schärferer Kerbgeometrie noch einmal zunimmt. Im günstigsten Fall kann das Festwalzen bei einer scharfen Kerbe unter Biegeumlaufbelastung die Nennspannungsamplitude um 94% steigern, was nahezu einer Verdoppelung der Festigkeit entspricht.

Das Festwalzen hat also ein großes Potential für die Lebensdauerverlängerung und damit die Ressourceneffizienz in der Auslegung von Wellen. Die Studie von Frau Günther und ihren Kollegen zeigt, dass wir dieses Potential mit den richtigen Berechnungsansätzen auch nutzen können.

[1] Günther, S., Muhammedi, B., Werner, T., Schlecht, B., Hasse, A., Brosius, A.: „Bewertung der Treffsicherheit der Festigkeitsnachweise von festgewalzten, gekerbten Bauteilen. 10. VDI-Fachtagung – Wellen und Welle-Nabe-Verbindungen 2024“, 6.-7.11.2024, Garching bei München, VDI Berichte 2443, 2024, S. 59-71

Das zumindest muss man als elementares Ergebnis aus dem Forschungsvorhaben FVA-840 II „Mechanische Oberflächenverfestigung II“ mitnehmen.

Bauteile können so ausgelegt werden, dass sie speziell für die vorherrschenden Belastungen optimiert sind. Dafür können natürlich ganz unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, wie zum Beispiel die Wahl eines hochfesten und damit teuren Werkstoffs oder eine Optimierung der Geometrie. Eine einfache und gleichzeitig effiziente Möglichkeit stellt gezielte Einstellen von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften dar. Dabei handelt es sich um Werkstoffeigenschaften in den Randbereichen des Bauteils, die sich vom Grundgefüge unterscheiden und die vom Fertigungsprozess verändert werden.

Fertigungsverfahren wie das Festwalzen oder Rollieren ermöglichen es, gerade in den hochbelasteten Randbereichen gezielt Druckeigenspannungen einzubringen. Diese wirken den Lastspannungen entgegen und sorgen so für eine Verlängerung der Schwingfestigkeit.

Um diesen Effekt gezielt nutzen zu können, müssen zwei wesentliche Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muss in der Auslegung der Bauteile bereits klar sein, wie sich veränderte Randzoneneigenschaften auf die Bauteilperformance auswirken. Und zum anderen muss in der Fertigung Wissen zum Nutzen der Rollierwerkzeuge vorhanden sein.

Im Rahmen des oben genannten FVA-Projekts beschäftigte sich ein Konsortium genau mit der ersten Bedingung. Stand heute gibt es verschiedene Richtlinien, um Wellen und Wellenabsätze richtig auszulegen. Dabei wird dem Konstrukteur einiges abverlangt, weil er die Wirkung des Verfahrens relativ grob abschätzen muss. Ziel des Projekts war es nun, diese Abschätzung zu verbessern und dem Konstrukteur mehr Sicherheit bei der Auslegung der Bauteile zu geben.

Die Ergebnisse wurden von Stefanie Günther, Projektleiterin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Maschinenelemente und Maschinenkonstruktion der Technischen Universität Dresden auf der VDI-Tagung „Wellen- und Welle-Nabe-Verbindungen“ im November 2024 in Garchingen vorgestellt.

Die ECOROLL AG Werkzeugtechnik aus Celle hat sich im über die gesamte Projektlaufzeit intensiv in die Projektarbeit eingebunden und aktiv am Projekt mitgewirkt. Oliver Maiß, Entwicklungsleiter bei der ECOROLL AG, ist begeistert von der Vielfalt der Ergebnisse: „Innerhalb des Projekts wurde eine so breite Versuchsmatrix untersucht, wie ich es vorher in keinem anderen Projekt gesehen habe. Die Ergebnisse zeigen, dass für unterschiedliche Werkstoffe, Kerbgeometrien und Belastungsarten eigentlich immer eine Verbesserung der Schwingfestigkeit erzielt wird.“

Wie Kerbspannungen die Lebensdauer Ihrer Wellen beeinflussen

Wird eine Kerbstelle gezielt festgewalzt können signifikante Lebensdauersteigerungen erreicht werden, beispielsweise Laststeigerungen von bis zu +93%.

Beim Festwalzen oder Rollieren wird ein Walzköper auf die Oberfläche eines Bauteils gepresst. Dort rollt dieser dann ab und sorgt für eine plastischen Verformung der Oberfläche und der darunter liegenden Randzone. Die für den Prozess entscheidenden Parameter sind die Geometrie der Rolle, der Vorschub und vor allem die Walzkraft. Sie entscheidet, wie hoch die Druckeigenspannung sind, die eingebracht werden.

Werkzeugauswahl und Prozessoptimierung für maximale Festigkeitssteigerung

Am Markt gibt es unterschiedliche Werkzeuge für das Festwalzen. Oftmals unterscheiden sich diese durch die Geometrie der einzelnen Walzkörper. Das Werkzeug und vor allem die Rolle muss auf die Bearbeitungsaufgabe abgestimmt sein. Eine Rolle, wie sie im Bild 2 zu sehen ist, eignet sich beispielsweise nicht für die Bearbeitung von Radien und anderen frei geformten Flächen. Dafür ist sie optimal zum Glattwalzen von zylindrischen Innen- oder Außenflächen geeignet, da sie sehr hohe Vorschübe ermöglicht.

Zum Festwalzen von Radien eignen sich einrollige mechanische Werkzeuge ganz besonders, in denen die Rolle selbstgelagert ist. Bild 3 zeigt zum Beispiel ein einrolliges mechanischen Werkzeug vom Typ EG45 mit einer 40M-Rolle. Die Rolle ist dabei direkt gelagert und kann axiale und radiale Belastungen aufnehmen. Durch die Anstellung der Rolle unter 45° ist eine Bearbeitung über einen Winkel von 90° möglich. Damit eignet sich diese Rollenvariante sehr gut für die Bearbeitung von Radien an Wellen.

Die Rolle kann entlang der Kontur über die CNC-Steuerung geführt werden und so an jeder Stelle eine optimale Festwalzkraft aufbringen. Allerdings ist bei der Programmierung eine Besonderheit des Werkzeugtyps zu beachten. Die Kraftaufbringung im Werkzeug funktioniert über Federelement die in einer Richtung einfedern können. In diesem Fall eben unter 45°, also quer zur Rollenachse.

Die Federrichtung muss bei der Bewertung der Walzkraft berücksichtigt werden. Wird eine zylindrische Fläche bearbeitet wird die reale Walzkraft unter einem Winkel von 45° zur Federkraft. Letztere wird auf der Messuhr angezeigt. Wird mit konstanter Walzkraft über einen gesamten Radius bearbeitet, so verändert sich die angezeigte Federkraft. Es wäre also falsch den Prozess so zu programmieren, dass die Messuhr über den gesamten Radius den gleichen Wert anzeigt.