Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen von mindestens eine Querbohrung aufweisende Zapfen im Einstichverfahren mit mindestens einer Walzrolle und mindestens einer Stützrolle, wobei der Durchmesser einer Querbohrung kleiner ist als die Länge des Zapfens und wobei jede Walzrolle unter einer durch eine gewählte Walzkraft erzeugten und gewünschten spezifischen Walzkraft auf die Zapfenoberfläche während des Umlaufes einwirkt.
Zapfen mit Querbohrungen können beispielsweise Lagerzapfen von Kurbelwellen sein. Um ganz allgemein solche Zapfen, insbesondere von Kurbelwellen, zu walzen, sind bereits Einrichtungen und Verfahren beispielsweise mit der DE-PS 2146994 bekannt geworden. Soweit es sich um geschlossene, also ununterbrochene Zapfenflächen handelt, haben sich diese Einrichtungen und die mit solchen Einrichtungen durchgeführte Verfahrensweise durchaus bewährt. Die zu solchen Einrichtungen gehörigen Werkzeuge arbeiten üblicherweise im sogen. Einstichverfahren. Werden mit solchen Einrichtungen und den dazu gehörigen Werkzeugen Querbohrungen überwalzt, so kommt es zu unerwünschten und in der Regel unzulässigen Formabweichungen.
Eine weitere Einrichtung dieser Art ist bekannt geworden durch die SO-PS 521122. Dort ist in Figur 2 bereits ein Lagerzapfen mit Querbohrung gezeigt, der von den Walzrollen 11 gewalzt wird, wobei die genannte Querbohrung von diesen Walzrollen 11 überrollt wird. Irgendwelche Maßnahmen zur Verhinderung der unerwünschten und unzulässigen Formabweichung im Bereich der Querbohrung, verursacht durch die Überwalzung, sind nicht zu erkennen.
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit welchem die Überwalzung von Querbohrungen möglich wird, ohne daß hierbei unzulässige Formtoleranzen am Werkstück auftreten.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens während des Überwalzens einer Querbohrung die Walzkraft einer die Bohrung überwalzenden Walzrolle abgesenkt wird, wobei die Walzkraft, die während des Überwalzens einer Querbohrung auf den Zapfen einwirkt, spätestens im Bereich einer Oberflächenlängslinie, die quer durch die Mitte der Bohrung verläuft, ein Minimum erreicht. Das Walzen solcher Zapfen im Einstichverfahren erfolgt kraftschlüssig, damit eine bestimmte Krafteinwirkung der Walzrollen auf das Werkstück auch tatsächlich erreicht wird. Bei formschlüssiger Arbeitsweise bestünde das Risiko, daR auf Grund von Maß- und Formtoleranzen des Werkstückes die am Werkstück tatsächlich auftretende Walzkraft unzulässig klein oder groß würde. Bei kraftschlüssigem Walzen aber wird nach der Erfindung eine Walzkraftsteuerung vorgenommen derart, daß im Bereich der Bohrung, also dann, wenn die jeweilige Walzrolle den Bohrungsbereich überrollt, eine kleinere Walzkraft vorliegt. Dies ist auch unschädlich, da es nicht primär auf die Walzkraft sondern vielmehr auf die spezifische Walzkraft ankommt. Dadurch, daß die Walzrolle in den Bohrungsbereich eintritt, wird die Fläche, mit der die Walzrolle am Werkstück anliegt, zunächst kleiner, wodurch bei konstanter Walzkraft die Flächenpressung und damit die Verformung des Werkstückes größer wird. Es muß nun das Bestreben sein, die Veränderungen der spezifischen Walzkraft während der Überwalzung des Bohrungsquerschnittes so zu begrenzen, daß unerwünschte Formabweichungen nicht mehr auftreten. Da von den Werkstücken die notwendigen Walzparameter bekannt sind oder durch Versuche ermittelt werden können, ist es auch möglich eine Aussage über die notwendige Walzkraft im Bohrungsbereich zu machen oder ggfls. die richtige Walzkraft für den Bohrungsbereich durch Versuche zu ermitteln. Es muß also während einer Umdrehung des Werkstückes eine Walzkraftsteuerung derart erfolgen, daß im Bohrungsbereich die Walzkraft gegenüber der Walzkraft im anderen Bereich niedriger liegt. Sie soll dort ein Minimum erreichen. Hierdurch kann ein unzulässiger Anstieg der spezifischen Walzkraft am Werkstück im Bereich neben der Querbohrung verhindert werden.
Zwar ist mit der DE-PS 3037688 bereits eine Walzmaschine für Kurbelwellenlagerzapfen bekannt geworden, bei der eine Walzkraftsteuerung während der Umdrehung des jeweiligen Kurbelwellenlagerzapfens vorgenommen wird. Mit dieser Walzkraftsteuerung wird jedoch die Abbiegung der Kurbelwellenspiegel beeinflußt. Irgendein Hinweis eines Zusammenhanges zwischen der nach dieser Patentschrift vorgenommenen Walzkraftsteuerung und der Überwalzung von Querbohrungen an solchen Lagerzapfen kann dieser Schrift nicht entnommen werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Absenkung der Walzkraft nur soweit erfolgt, bis die spezifische Walzkraft der spezifischen Walzkraft, die für das Erreichen der geforderten Oberflächenrauhigkeit erforderlich ist, entspricht. Hierdurch wird eine gute Anpassung an den übrigen zu walzenden Bereich erreicht und es ist daher auch -wenn überhaupt- eine nur geringe Formabweichung im Bereich der Querbohrung zu erwarten.
Es ist weiterhin vorgesehen, daß die minimale Walzkraft im gesamten Bohrungsbereich des Zapfens angewendet wird. Hierdurch kann die notwendige Walzkraftsteuerung sehr vereinfacht werden und es kann dennoch insbesondere dann, wenn es sich um Querbohrungen kleinen Durchmessers handelt, ein befriedigendes Ergebnis erzielt werden. Eine unzulässige Formabweichung kann trotz der Vereinfachung bei Querbohrungen genügend kleinen Durchmessers vermieden werden. Um festzustellen, ob der Durchmesser einer Querbohrung genügend klein für die Durchführung des vereinfachten Verfahrens ist, genügt ein einfacher Versuch. Ein solcher Versuch ist auch möglich und zumutbar, da es sich bei solchen zu walzenden Werkstücken um Massenartikel handelt.
Ausgestaltend ist nach der Erfindung vorgeschlagen, daß spätestens dann, wenn eine Walzrolle den Bereich einer Querbohrung erreicht, die Walzkraft soweit abgesenkt ist, daß sie mindestens im Bereich des größten Bohrungsquerschnittes die spezifische Walzkraft an der Zapfenoberfläche erzeugt, die der spezifischen Walzkraft, die für den übrigen Bereich der Zapfenoberfläche angewendet wird, entspricht. Auch hierdurch wird eine weitere Vereinfachung der Kraftsteuerung erreicht. Es kann die Kraftsteuerung auf eine einfache Kraftumschaltung reduziert werden, was beispielsweise über eine Hydraulik besonders einfach möglich ist.
Weiterhin ist nach der Erfindung vorgesehen, daß mindestens der Beginn der Walzkraftabsenkung innerhalb einer Umfangslänge von 0 bis 3 mm vor dem Bohrungsanfang liegt. Durch einen solchen Vorlauf kann erreicht werden, daß am gewünschten Ort eine gewünschte Absenkung tatsächlich erreicht ist. Weiterhin kann hierdurch eine unerwünschte Formabweichung infolge zu rascher Walzkraftabsenkung verhindert werden.
Es ist dann ergänzend noch vorgeschlagen, daß spätestens 3 mm in Umfangsrichtung hinter der Bohrung die maximale Walzkraft wieder erreicht ist. Auch hierdurch werden unerwünschte Formunregelmäßig keiten aufgrund eines zu schnellen Anstiegs der Walzkraft verhindert. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß dann, wenn die Walzrolle den Einflußbereich der Querbohrung verlassen hat, wieder die für den übrigen Bereich notwendige Walzkraft mit der dieser Walzkraft zugeordneten spezifischen Walzkraft erreicht ist.
Weiterhin ist nach der Erfindung vorgesehen, daß eine Änderung der Walzkraft nur in solcher Größe und mit solcher Geschwindigkeit erfolgt, daß einerseits im Bereich der sich ändernden Walzkraft die geforderten Formtoleranzen und andererseits die geforderten Oberflächenkennwerte eingehalten werden. Die Grenzen in denen solche Änderungen vorgenommen werden können, können durch einfache Versuche ermittelt werden. Geforderte Formtoleranzen und Oberflächenkennwerte sind Vorgaben die einzuhalten sind. Da für die Überwalzung von Querbohrungen eine Walzkraftänderung erforderlich ist und diese Walzkraftänderung nur mit einer endlichen Geschwindigkeit erfolgen kann, müssen auch die zugeordneten Maschinenelemente von einer solchen Leistungsfähigkeit sein, daß die Kraftänderung ihrer Größe und ihrer Geschwindigkeit nach so vorgenommen werden kann, daß die notwendigen Formtoleranzen und Oberflächenkennwerte erreicht werden.
Es ist weiterhin nach der Erfindung vorgeschlagen, daß sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Walzvorganges höchstens eine Walzrolle im Bereich einer Querbohrung befindet. Hierdurch können unkontrollierte Reaktionen und Kraftabläufe vermieden werden.
Auch ist nach der Erfindung noch vorgesehen, daß in Umfangsrichtung mindestens im gesamten Querbohrungsbereich des Zapfens mit einer pulsierenden Walzkraft ungleich Null gewalzt wird, während im übrigen Bereich mit einer nicht pulsierenden Walzkraft gewalzt wird, wobei die Walzkraft mit einer Frequenz von 30 - 300 Hz und einer Amplitude von 10 - 100% ihres örtlichen Minimalwertes pulsiert, wobei die Walzgeschwindigkeit so abgestimmt ist, daß die tiefsten Stellen der aus dem Maximalwert herrührenden Eindrücke der Walzrollen, soweit sie bei statischer Belastung entstehen würden, in einem Abstand aufeinander folgen, der nicht größer als die doppelte Eindruckbreite selbst ist. Da die pulsierende Walzkraft immer ungleich Null ist, liegt damit bei der pulsierenden Walzkraft eine Überlagerung einer statischen Grundwalzkraft mit einer pulsierenden Walzkraft der angegebenen Frequenz und Amplitude vor, die gegenüber einer statischen Festwalzkraft vom Maximalwert der Amplitude eine bedeutende Steigerung der Verfestigungstiefe und Mikrohärte bewirkt. Die Werkstückverformung, die von dem pulsierend belasteten Werkzeug hervorgerufen wird, liegt, soweit sie durch die Pulsierung verursacht wird, im wesentlichen im elastischen Bereich. Meßbare Oberflächenwelligkeiten entstehen hierdurch nicht. Es können vielmehr die mit bekannten Glattwalzverfahren erzielbaren Oberflächenqualitäten erreicht werden. Gleichzeitig gelingt es die statische Walzkraft bei einem mit dem übrigen Bereich des statisch gewalzten Zapfens vergleichbaren Ergebnis zurückzunehmen, so daß im Bereich der Querbohrung wieder unzulässige Formabweichungen vermieden werden können.
Schließlich ist nach der Erfindung noch vorgeschlagen, daß der Minimalwert der pulsierenden Walzkraft dem Wert zur Erzielung eines gewünschten Glattwalzergebnisses entspricht und der Maximalwert der pulsierenden Walzkraft dem Wert zur Erzielung einer gewünschten Verfestigungstiefe und/oder dem Wert der gewünschten Mikrohärtesteigerung entspricht. Hierdurch sind Grenzdaten angegeben, die die Erreichung eines gewünschten Walzergebnisses ermöglichen.
Es ist zwar aus der DE-PS 2920889 ein Walzverfahren unter Anwendung einer in der beschriebenen Weise pulsierenden Walzkraft bekannt geworden. Es wird hierbei jedoch diese pulsierende Walzkraft während des gesamten Walzvorganges angewendet und es ist dieser Schrift kein Hinweis dahingehend zu entnehmen, daß es vorteilhaft sein könnte, im Bereich eines Umfanges eines zu walzenden Zapfens einen bestimmten Winkelbereich pulsierend und mindestens einen anderen Winkelbereich statisch zu walzen.
In den beigefügten Zeichnungen ist in einem kartesischen Koordinatensystem der Verlauf der Walzkraft F über dem Drehwinkel phi als Funktikon F (phi) aufgetragen. In den Figuren 1 a bis d ist hierbei ein Drehwinkelbereich phi von 360° aufgetragen. Der dort angegebene Kraftverlauf entspricht also dem Kraftverlauf über eine Werkstückumdrehung. In den genannten Darstellungen ist gleichzeitig ein Bereich B gekennzeichnet, in dem sich eine Querbohrung befinden soll. Nach Figur 1 a ist während einer Werkstückumdrehung von 360° die Walzkraft F im wesentlichen konstant. Lediglich im Bereich B, der dem Querschnittsbereich der Querbohrung entspricht, erfolgt eine Absenkung der Walzkraft F. Die Absenkung erfolgt nach einer Sinusfunktion bis auf einen Minimalwert Fmin. Der Minimalwert liegt hierbei mindestens angenähert im Bereich des größten Durchmessers der Bohrung. Er kann z.B. so bemessen sein, daß sich seitlich neben der Bohrung eine spezifische Walzkraft einstellt, die der spezifischen Walzkraft entspricht, die am Zapfen außerhalb des Bohrungsbereiches B auftritt oder von dieser höchsten nur so weit abweicht, daß sich am Werkstück keine unzulässigen Formabweichungen einstellen. Die Reduzierung der Kraft nach einer Sinusfunktion sorgt dabei dafür, daß entsprechend der Lage der Walzrolle über dem Bohrungsquerschnitt die spezifische Walzkraft im augenblicklich gewalzten Bereich seitlich neben der Bohrung über den gesamten Bohrungsbereich wenigstens angenähert konstant bleibt.
Es kann aber auch eine Annäherung an die Funktion der Kraft F (phi) nach Figur 1 a bereits ausreichend sein, um den gewünschten Zweck zu erzielen. Eine solche Annäherung ist dargestellt in Figur 1 b. Dort ist der Kraftverlauf der Kraft F (phi) im Bereich B der Bohrung als lineare Abnahme bis auf einen Minimalwert Fmin und linearer Zunahme dargestellt. Fmin liegt hierbei im Bereich des größten Durchmessers der Querbohrung. Ein solcher Verlauf der Kraft F über den Drehwinkel phi kann durchaus ausreichend sein, daß gewünschte Glattwalzergebnis zu erzielen, ohne unzulässige Formtoleranzen am Werkstück zu erzeugen.
Insbesondere bei Querbohrungen kleineren Durchmessers kann eine weitere Vereinfachung des Verlaufes der Kraft F (phi) zu befriedigenden Ergebnissen führen. Ein solcher Verlauf ist dargestellt in Figur 1 c. Dort wird mit Beginn der Bereichs B der Querbohrung die Kraft F stufenartig auf den Wert Fmin abgesenkt, der bis zum Ende des Bereiches B beibehalten wird und dort wieder stufenartig auf den ursprünglichen Wert angehoben wird.
Verschiedene äußere Randbedingungen, wie z.B. Duktilitätsgrad des zu walzenden Werkstoffes, Trägheitsgrad der Walzmaschine und der Walzmaschinensteuerung, können dazu führen, daß ein Kraftverlauf F (phi) nach Figur 1 c nicht zweckmäßig ist. Dieser Kraftverlauf kann dann vielmehr ersetzt werden durch einen Verlauf F (phi) nach Figur 1 d. Auch dort wird im Bereich B der Querbohrung die Kraft F auf den Betrag Fmin abgesenkt. Die Absenkung geschieht jedoch mit einem gewissen Vorlauf und kann hierbei auch langsamer erfolgen. Natürlich ist es auch möglich hierbei die Kraft Fmin bereits vor dem Bereich B zu erreichen. Nachdem der Bereich B mit der Kraft Fmin durchwalzt ist, kann diese Kraft mit einer gewünschten Anstiegsgeschwindigkeit wieder angehoben werden auf den ursprünglichen Betrag.
Figur 2 zeigt im wesentlichen ein kartesisches Koordinatenkreuz wie die Figuren 1a - d. Es ist Jedoch Bei Figur 2 der Bereich B der Querbohrung vergrößert dargestgellt. Gleichhzeitig ist bei Figur 2 eine Kraft F'(phi) dargestellt, die in ihrem Verlauf so sein kann, wie die Kraft F(phi) nach den Figuren 1a - d. In Figur 2 ist als Beispiel ausgewählt der Kraftverlauf nach Figur 1 d. Im Bereich B und diesem Bereich benachbart als Ein- und Auslauf, ist die Kraft F'(phi) überlagert von einer pulsierenden Walzkraft Fp von der Amplitude A. Diese Amplitude kann 10 - 100% des jeweils örtlichen Minimalwertes F'(phi) betragen. Hierbei können Spitzenwerte F'p durchaus höher liegen als die maximale Walzkraft F'(phi) im statischen Bereich. Unzulässige Formabweichungen können dennoch vermieden werden, weil die Werkstückverformung, die durch die Pulsation ausgelöst wird, im wesentlichen im elastischen Bereich erfolgt.
Da hinsichtlich eines Verfestigungsgrades die Wirkung der pulsierenden Kraft aber größer ist als die Wirkung einer statischen Walzkraft von der Größe des Maximalwertes der Amplitude, ist es durchaus möglich, im Bereich B mit dem Maximalwert der pulsierenden Walzkraft um einen Betrag C unterhalb der statischen Walzkraft zu bleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchaus mit den zum Stand der Technik beschriebenen Einrichtungen durchgeführt werden. Hierzu ist erforderlich, daß die Steuereinrichtungen, die den Kraftverlauf der Walzkraft während einer Umdrehung des Werkstückes steuern, hinsichtlich ihrer Impulse so eingestellt werden, daß sie eine Kraftsteuerung entsprechend der Lage der Querbohrung zu den Walzrollen der Walzwerkzeuge durchführen. Vorteilhaft ist es darauf zu achten, daß der Walzvorgang nicht begonnen wird in einer Drehwinkellage des Werkstückes, in der die Walzrolle auf der Querbohrung liegt. Wird dieser Zustand für den Beginn des Walzprozesses vermieden, so verbessert dies die Formgenauigkeit des Werkstückes und vereinfacht die Steuerung für die Walzkraft.
Es sollte weiterhin unbedingt darauf geachtet werden, daß immer nur eine einzige Walzrolle jeweils den Bereich einer Querbohrung überwalzt. Sind in einem Walzwerkzeug mehrere Walzrollen vorhanden, so hat demzufolge deren Winkelanordnung die Winkellage der Querbohrungen des zu walzenden Werkstückes zu berücksichtigen.
Weiterhin muß bei den Walzwerkzeugen darauf geachtet werden, daß das Durchmesserverhältnis von Walzrollen einerseits und am Werkstück anliegender Stützrollen andererseits, derart ist, daß eine plastische Umformung des Werkstückes ausschließlich von den Walzrollen, nicht aber von den am Werkstück anliegenden Stützrollen ausgeht.
Praktische Versuche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben gezeigt, daß es nunmehr insbesondere an Kurbelwellen gelingt, die mit Querbohrungen versehenen Lagerzapfen der Kurbelwelle mit befriedigendem Ergebnis glattzuwalzen, ohne gleichzeitig hierbei unzulässige Formabweichungen der Lagerzapfen im Bereich der Querbohrungen hinnehmen zu müssen.