Querschnitt 21 / Februar 2007 - h_da: Hochschule Darmstadt

Querschnitt 21
Abbildung 1 • Mechanik Versuchsmaschine P III
3 • werkzeugtechnik
Zum Walzen von Kugelumlaufspindeln setzt die industrielle
Praxis üblicherweise fertig konfektionierte und, weil hochgenau
geschliffen, sehr teure Walzwerkzeuge ein. In der regel
werden diese industrieüblichen Walzwerkzeuge auf zwei
parallel angeordneten Walzspindeln aufgenommen. Die daraus
entstehende Konsequenz ist, dass weder vorhaltend noch
nachhaltend eine Korrektur der geometrischen Verhältnisse
der Walzwerkzeuge zueinander möglich ist.
unsere untersuchung wurde daher mit steigungslosen rillenwalzwerkzeugen
(Abbildung 2) durchgeführt, die bei der
Durchführung der entwicklungsarbeiten zu folgenden untersuchungstechnischen
Vorteilen führten: Die steigungslosen
rillenwalzwerkzeuge erlauben nach ganggetreuem gegenläufigem
Schwenken der Werkzeuge eine gleiche Spindelgeometrie
zu walzen, wie dies bei dem einsatz praxisüblicher Walzwerkzeuge
möglich ist. Allerdings verbunden mit dem Vorteil,
dass eine direkte einflussnahme auf das Walzergebnis bzw.
die resultierende Bauteilqualität, durch korrigierende Veränderungen
der Werkzeuggeometrie zueinander, möglich ist.
4 • walzprozess
Zurückliegende untersuchungen am Institut für umformtechnik
der Technischen universität Darmstadt zum Walzen von
Oberflächenprofilen führten zu der erkenntnis, dass die nach
der umformung resultierende Bauteilpräzision direkt abhängig
ist von der Gleichförmigkeit der Bewegungen der Walzwerkzeuge.
Beim Spindelwalzen kommt dieser Gleichförmigkeit der
Drehbewegung die überragende Bedeutung zu, da Spindeln
üblicherweise im Durchlaufverfahren gewalzt werden. Dies
bedeutet, dass die radiale Position der beiden Walzwerkzeuge
unverändert bleibt, und somit die Vorschubachse lediglich die
Aufgabe des Haltens der schlittenseitigen Spindelachse übernimmt.
Allerdings führt das schlittenseitig aufgenommene
Walzwerkzeug im ersten Moment des Walzvorgangs einen
kurzen Hub senkrecht zur Achse des Walzgutes aus und zwar
so lange, bis die Lage beider Walzwerkzeuge zueinander so ist,
dass die gewünschte Spindelgeometrie mit ihrem angestrebten
Kerndurchmesser realisiert werden kann.
Von entscheidender Bedeutung für den anschließenden Walzprozess
ist, dass nach erreichen der Kerntiefe des schlittenseitig
aufgenommenen Walzwerkzeuges sich beide Walzwerkzeuge
mit absoluter Präzision der Gleichförmigkeit rotatorisch
bewegen.
Die zuvor angesprochenen untersuchungen an der TuD hatten
beim Walzen auf herkömmlichen Walzmaschinen zu der
eindeutigen erkenntnis geführt, dass der kurzen Zeitspanne
von der ersten Berührung des schlittenseitig aufgenommenen
Walzwerkzeuges mit dem Walzgut bis zum erreichen
der vorgesehenen maximalen eindringtiefe eine fundamentale
Bedeutung zukommt. unklar blieb dabei, wodurch sich diese
Bedeutung erklärt. entweder durch die unsymmetrie des
Walzgeschehens an sich, will heißen, dass das schlittenseitige
Walzwerkzeug translatorisch bewegt wird und das bockseitige
eben nicht, was möglicherweise zu unsymmetrischem
Fließverhalten des Werkstückstoffs führen kann. Oder aber,
die durch die unsymmetrische Krafteinleitung resultierende
unsymmetrie, die sich seitenabhängig unsymmetrisch in
den beiden Getriebezügen der Antriebstechnik herkömmlicher
Walzmaschinen wiederfindet, und deshalb die Gleichförmigkeit
der Drehbewegung der beiden Walzwerkzeuge negativ
beeinflusst.
es galt also im rahmen der vorliegenden untersuchung herauszufinden,
ob auch beim einsatz hochpräziser CNC-An-
Abbildung 2 • Steigungslose rillenwalzwerkzeuge
triebstechnik die gleichen reaktionsmuster festzustellen sind,
woraus sich möglicherweise eine erklärung ableiten lassen
sollte.
5 • walzversuche
Bei der Durchführung der im Folgenden beschriebenen Walzversuche
wurden selbstverständlich alle durch die Maschinentechnik
beeinflussbaren Walzparameter, wie Walzkräfte,
Vorschubwege, Vorschubgeschwindigkeiten und Spindelneigungen
innerhalb gewisser Grenzen variiert, so dass die Bedeutung
und einflussnahme jedes Versuchparameters auf das
resultierende Walzergebnis eindeutig zugeordnet und beurteilt
werden konnte. Die in der Folge dargestellten Zusammenhänge
subsummieren den jeweiligen endstand der erkenntnisse
reduziert auf die wesentlichen Aussagen.
Walzen von steigungslosen rillenprofilen
Bei diesem Teil der untersuchungen wurden, wie in Abbildung
3 gezeigt, steigungslose rillenprofile mit den steigungslosen
rillenwalzwerkzeugen im einstechverfahren gewalzt, wobei
die Achsen der Walzwerkzeuge in der gleichen horizontalen
ebene lagen.
Abbildung 3 zeigt die beim rillenwalzen resultierende Werkzeug-/Werkstück-Situation,
wobei das besondere Augenmerk
auf das Kraft-/Flächenverhältnis zu Beginn, während und nach
der umformung gelenkt sein soll.
Das mittig und von seiner Achslage her in der gleichen ebene
positionierte kurze Werkstück liegt auf einem entsprechend
ausgerichteten Auflagelineal und wird von dem sich drehenden
rechten Walzwerkzeug, welches schlittenseitig aufgenommen
ist, gegen das bockseitige, linke sich drehende Walzwerkzeug
geschoben. Zu Beginn der umformung berühren beide Walz-
Walzen von kugelumlaufspindeln FAchbereich mAschinenbAu
werkzeuge die Walzprobe in den jeweiligen Berührpunkten,
was zu einer absolut symmetrischen Belastung des Walzgutes
führt. Danach dringen beide Walzwerkzeuge symmetrisch in
den Werkstückstoff ein, was zu einer erhebliche Kontaktflächenvergrößerung
zwischen Werkzeugen und Werkstück
führt, und damit verbunden, einen massiven Anstieg der resultierenden
Walzkräfte und -momente zur Folge hat. Die resultierenden
Verläufe der Messgrößen, wie Vorschubkraft, Drehmomente
von Werkzeug- und Vorschubantrieben und Vor-
schubwege, zeigt Abbildung 4.
Schon an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Verläufe
der Antriebsdrehmomente aller drei Motoren (schwarz,
rot, grün) in den ersten Sekunden des Walzgeschehens (1 bis
5 s) annähernd identisch verlaufen. Hiermit bestätigt sich die
zuvor getroffene Aussage, dass, wie in Abbildung 3 gezeigt, zu
Beginn der umformung absolut geometrisch identische Verhältnisse
vorhanden sind, die sich auch in der Symmetrie der
aus der umformung resultierenden Drehmomentverläufe beider
Walzwerkzeuge wiederfinden lassen.
Die nach dem ersten punktförmigen Berühren der Walzwerkzeuge
durch das eindringen der Walzwerkzeuge resultierende
Flächenvergrößerung und der damit verbundene starke reaktionskräftezuwachs
führt zu identisch ansteigenden Drehmomentverläufen.
spindelwalzen im Durchlaufverfahren
Die in dieser Veröffentlichung gezeigten Diagramme der Verläufe
der Versuchsparameter stellen die Versuchsergebnisse
dar, die mit identischen bzw. vergleichbaren Maschineneinstellungen
realisiert wurden.
Von besonderer Bedeutung für die Beurteilung der Versuchsergebnisse,
und daher an dieser Stelle ausdrücklichst betont,
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