Glatt- und Festwalzen: bewährte Verfahren zur mechanischen

Glatt- und Festwalzen: bewährte Verfahren zur
mechanischen Oberflächenveredlung
ECOROLL AG Werkzeugtechnik
Glattwalzen, Festwalzen, Zylinderrohrbearbeitung, Prozessüberwachung
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Übersicht
Glattwalzen - Festwalzen: Verfahren, Kinematik, Werkzeuge
Vorteile der Fest- und Glattwalzbearbeitung
Parametereinflüsse
Anwendungsbereiche und -beispiele
16.09.2015
Dipl.-Ing. Zied Heni
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1
ECOROLL AG Werkzeugtechnik
ECOROLL Corporation, Milford, Ohio



HEGENSCHEIDT Werkzeugtechnik gegründet 1969
ECOROLL AG Werkzeugtechnik gegründet 1996
ECOROLL Corp. Tool Technology gegründet 2003
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ECOROLL AG, Celle, Germany
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Glattwalzen - Festwalzen: Verfahren
Werkzeug mit mechanisch
gelagerter Rolle
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Werkzeug mit hydrostatisch
gelagerter Kugel
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3
Glattwalzen - Festwalzen: Verfahren
Beeinflussung der Eigenschaften der Randschicht eines Bauteils:
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4
Glattwalzen - Festwalzen: Verfahren
Glättung durch Fließen:
Materialfluss von Rauheitsspitze
ins Rauheitstal.
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Glattwalzen - Festwalzen: Kinematik
Walzen im Einstich
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Glattwalzen - Festwalzen: Kinematik
Walzen im Vorschub
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Glattwalzen - Festwalzen: Kinematik
3D-Walzen von Freiformflächen
3,5
Walzkraft
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zeit [s]
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Mechanische Lagerung - Einrollig
EG5-1
EGI5-32
EG14
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EGI-08F
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Mechanische Lagerung - Mehrrollig
G: Innenbearbeitung
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RKAK: Aussenbearbeitung
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Mechanische Lagerung - Einrollig
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Hydrostatische Lagerung HG
Pumpe
Werkzeug
Hydrostatische Kugel
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Nachführsystem
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Hydrostatische Lagerung HG
Wz. für Bohrungsbearb.
Wz. mit Spannleiste
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Wz. mit integrierter
Hochdruckpumpe
Wz. für Bearbeitung
im BAZ
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Hydrostatische Lagerung HG
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Glattwalzen - Festwalzen: Werkzeuge
Hydrostatische Lagerung HG
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Glattwalzen - Festwalzen: Unterschied
Glattwalzen
Festwalzen
Zielsetzung
Herstellung einer
vorgeschriebenen Rautiefe
Erhöhung der Betriebsfestigkeit
Qualitätsprüfung
Zerstörungsfreie Messung
der Oberflächengüte
Nur mittels zerstörender
Verfahren an Proben
 Wöhlerversuch
 Messung der
Eigenspannung
Qualitätskorrektur Nachwalzen möglich
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An Serienteilen nicht
möglich, da nicht
zerstörungsfrei prüfbar
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Glattwalzen - Festwalzen: Vorteile
Glättung
Kaltverfestigung
Quelle: Uni Stuttgart
Druckeigenspannungen


Verbesserte
Gleiteigenschaften
Verringerung von Mikrokerben




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Erhöhung der Versetzungsdichte
Erhöhung der Randschichthärte
Temperaturstabile
Festigkeitssteigerung
Verzögerung der Rissbildung



Reduzierung des
Risswachstums
Erhöhung der
Schwingfestigkeit
Erhöhung der Lebensdauer
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Glattwalzen - Festwalzen: Vorteile
Eigenspannungen - Vorher / Nachher
600
Eigenspannungen stan
[MPa]
0
-400
-800
-1200
-1600
0
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40
80
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120
160
200
[µm]
260
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Glattwalzen - Festwalzen: Vorteile
Lebensdauersteigerung durch Festwalzen
normiertes Umlaufbiegemoment in [%]
Umlaufbiegeversuche
240
Bearbeitungsparameter:
220
Material:
• EN-GJS-600-3
200
Drehprozess:
• Vc = 240 m/min
• f = 0,26
• Schneidenradius = 0,2
180
160
140
Festwalzprozess:
• Druck p = 400 bar
• f = 0,2 mm
• Vc = 100 m/min
120
100
80
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
Schwingspielzahl N [-]
nicht festgewalzt
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1,E+07
Werkzeug:
• HG6
festgewalzt
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Glattwalzen - Festwalzen: Vorteile
 Einsatz auf nahezu jeder
Werkzeugmaschine
 In einer Aufspannung
 Für unterschiedliche
Werkstückgeometrien.
 Verhindert Spannungsrisskorrosion.
 Signifikante Steigerung der
Lebensdauer.
 Außerordentliche
Steigerung der
Schwingfestigkeit eines
Bauteils.
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Glattwalzen
Nahezu alle Verfahren zur Herstellung hochwertiger Bauteiloberflächen
können durch Glattwalzen ersetzt werden:





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Feindrehen
Schleifen (Schwingschleifen, Läppschleifen, …)
Reiben
Honen
Polieren
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Festwalzen
… kann alle mechanischen Verfahren zur Erhöhung der Schwingfestigkeit
eines Bauteils ersetzen:




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Kugelstrahlen
Laser-Shock-Processing
Wasserstrahlen
Autofrettage
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Parametereinflüsse auf die Eigenspannungen
Eigenspannungen se
[MPa]
56,5 HRC
3 mm
400
400
0
0
-400
-400
-800
-800
-1200
-1200
-1600
-1600
Eigenspannungen se
[MPa]
Eigenspannungen se
[MPa]
61,5 HRC
59 HRC
0
Bauteil Materialhärte
6 mm
Kugel-
0,1
0,2
0,3
0,4
0
400
400
0
0
-400
-400
-800
-800
-1200
-1200
-1600
-1600
0
0,1
0,2
0,3
0,4
400
0
0
-400
-400
-800
-800
-1200
-1200
0,1
0,2
0,3
0,4
0,1
0,2
0,3
0,4
0,2
0,3
0,4
0
0,1
Tiefe z [mm]
Material Bauteil:
100Cr6V
Dreh-Parameter:
vc = 140 m/min
f = 0,08 mm;
ap = 0,15 mm
re = 1,2 mm
-1600
0
0,1
Tiefe z [mm]
st ; pw = 10 MPa
st ; pw = 20 MPa
st ; pw = 40 MPa
sa ; pw = 10 MPa
sa ; pw = 20 MPa
sa ; pw = 40 MPa
0
400
-1600
st
sa
0,2
0,3
0,4
Walz-Parameter:
vw = 100 m/min
fw = 0,06 mm
Quelle: Diss. Karsten Röttger
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Max. Härtezunahme HU [%]
Parametereinflüsse auf die Härte
61,5 HRC
56,5 HRC
20
15
10
5
0
10
Abstand zur Oberfläche z [mm]
59 HRC
20
40
10
20
40
10
20
40
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,50
0
13 mm
6 mm
3 mm
= kein Einfluss
Material Bauteil:
100Cr6V
Dreh-Parameter:
vc = 140 m/min
f = 0,08 mm;
ap = 0,15 mm
re = 1,2 mm
10
20
40
10
20
40
10
Walzdruck pw [MPa]
20
40
13 mm
6 mm
3 mm
Walz-Parameter:
vw = 100 m/min
fw = 0,06 mm
Quelle: Diss. Karsten Röttger
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Anwendungsbereiche
Luft- und Raumfahrt
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25
Anwendungsbereiche
Automobilindustrie
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26
Anwendungsbereiche
Medizintechnik
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Anwendungsbereiche
Erdölindustrie
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Anwendungsbeispiele
Die Reibleistung konnte um 20% verringert, die Härte um 6 % gesteigert werden.
Nockenwelle
Härte: 55 HRC
© www.todaracing.com
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Anwendungsbeispiele
Festwalzen eines PKW Radflansches
Signifikante Erhöhung der Betriebsfestigkeit
Weitere Anwendungen
• Traktoren
• Sportwagen
• Nutzfahrzeugachsen
• Reisebussen
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...damit
alles glatt geht ECOROLL
Anwendungsbeispiele
AW501
Anwendungsbeispiel Nr.:
Werkstück: Radscheibe
Material:
Vergütungsst. Härte:
Teil von: Dampfturbine
45 HRC
Festigkeit:
Forderung:
Spannungsrißkorrosion vermeiden
(Festwalzen)
1200 N/mm2 Streckgrenze:
N/mm2
Dampfturbine
• Ausgangshärte:
45 HRC
Werkzeug:
HG13-9E270°-SL32
Maschine:
Karusselldrehmaschine
• Ziel:
Vermeidung
von
Geschwindigkeit:
100 m/min
-1
Spannungsrisskorrosion
Drehzahl:
25 - 40 min
Vorschub:
0,44 mm/U
• Bearbeitungszeit:
60
min.
Meßuhranzeige:
mm
Druck:
200 bar
• Bearbeitung
von verschiedenen
Bereichen
Hauptzeit:
60 min
Ergebnis / Einsparung:
Beschreibung:
• Festwalzen
in einer Aufspannung nach
Die zu bearbeitende Werkstückpartie wird
in mehrere Zonen aufgeteilt, die mit einer
Zerspanung
der Kontur entsprechenden Werkzeug• Keine
Spannungsrisskorrosion
durch
neigung
gewalzt werden.
Eigenspannungen in der Randzone
© Alstom
Ergebnis / Einsparung:
Druckspannungen in einer Aufspannung
nach dem Drehen eingebracht.
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Anwendungsbeispiele
Welle eines medizinischen Instruments
(“Draht”, ø 0,5 mm)
Bearbeitung mit HG-Spezial-Werkzeug
Vermeidung von Spannungsrisskorrosion
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32
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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