Die Erfindung betrifft ein zur mechanischen Oberflächenbearbeitung vorgesehenes Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ferner betrifft die Erfindung ein mechanisches Oberflächenbearbeitungsverfahren.

Ein gattungsgemäßes Werkzeug ist beispielsweise aus der DE 10 201 1 050 662 B4 bekannt. Es handelt sich hierbei um ein Walzwerkzeug für die Bearbeitung eines Pleuelauges. Das Walzwerkzeug ist als Ganzes rotierbar und weist einen Wälzkörper auf, der in eine Ausnehmung des Walzwerkzeugs eingesetzt ist und entlang der Aus- nehmung nach außen mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt ist, wobei es sich bei dem Fluid im Fall der DE 10 201 1 050 662 B4 um ein Aerosol handelt.

Ein weiteres Walzwerkzeug ist in der DE 103 40 267 A1 offenbart. Dieses Walzwerk- zeug weist eine hydraulisch gelagerte Formrolle auf. Die Formrolle, welche auch als Walzrolle bezeichnet wird, läuft während des Walzens eines Werkstücks mit einem Arbeitsumfang rotierend am Werkstück entlang. Hierbei ist der Arbeitsumfang von ei- nem Lagerkontaktbereich der Walzenrolle räumlich getrennt. Insbesondere ist der La- gerkontaktbereich im Querschnitt kreisbogenförmig gekrümmt, wobei er beiderseits des Werkstückkontaktbereichs angeordnet ist. Das Walzwerkzeug soll insbesondere für die Bearbeitung von Bauteilen geeignet sein, welche dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Grundsätzlich bekannt ist auch eine hämmernde Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die WO 2016/135169 A1 hingewiesen.

Eine Feinstbearbeitung mit Vibrationskopf ist in der DE 196 34 839 A1 beschrieben. Die Bearbeitung wird an einem drehenden Werkstück durchgeführt, wobei ein Line- armotor einen Kopf des Werkzeugs gegen das sich drehende Werkstück drückt und zugleich eine Vibrationseinrichtung zum Vibrieren des Kopfes vorgesehen ist. Die Feinstbearbeitungsvorrichtung mit Vibrationskopf ist zur Bearbeitung von Nockenwel- len vorgesehen.

Die EP 0 253 907 B1 offenbart ein Verfahren zum Walzen von Querbohrungen auf- weisenden Zapfen. Im Rahmen dieses Verfahrens wird zum Teil eine pulsierende Walzkraft und zum Teil eine nicht pulsierende Walzkraft angewandt.

Ein Verfahren zum Festwalzen von Kurbelwellen ist zum Beispiel in der DE 30 37 688 C2 beschrieben. Das Verfahren soll insbesondere an Übergangsradien von Lagerzap- fen nutzbar sein. Im Rahmen des Verfahrens auftretende Walzkräfte pulsieren mit ei- ner Frequenz von 30 bis 300 Flertz.

Die US 2010/0052262 A1 beschreibt eine für ein Radlager vorgesehene Dichtungs- vorrichtung, welche ein elastisches Dichtungselement und ein metallisches Anschlag- element umfasst. Das Anschlagelement weist hierbei eine durch Kugelstrahl- Behandlung bearbeitete Oberfläche auf.

Die EP 1 296 801 B1 beschreibt ein kombiniertes Schäl- und Glattwalzwerkzeug. Das Werkzeug ist zur Oberflächenbearbeitung des zylindrischen Innenraums eines hohlen Werkstücks vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiter- entwickelte Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesonde- re der Bearbeitung von Dichtflächen, anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Oberflächenbearbeitungswerk- zeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur mechanischen Oberflächenbearbeitung gemäß Anspruch 7. Im Folgen- den im Zusammenhang mit dem Oberflächenbearbeitungsverfahren erläuterte Ausge- staltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Werkzeug, und umgekehrt.

Das Werkzeug umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Gehäuse, in wel- chem ein zur Befüllung mit einem Hydraulikmedium vorgesehener Hohlraum gebildet ist, sowie mindestens einen dem Grunddruck des Hydraulikmediums ausgesetzten, zum Abrollen auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche vorgesehenen Walz- körper. Erfindungsgemäß umfasst das Werkzeug einen Schwinger, welcher zur Er- zeugung von gezielten Druckpulsen im Hydraulikmedium ausgebildet ist. Dabei wird der Grunddruck des Hydraulikmediums gezielt pulsierend erhöht, wobei die Druckpul- se dem Grunddruck hinzuaddiert werden und diesen überlagern.

Durch den Schwinger wird dem Anpressdruck des Werkzeugs an das zu bearbeitende Werkstück eine pulsierende Belastung überlagert, welche zu einer Strukturierung der Oberfläche des Werkstücks führt. Die Erzeugung der oszillierenden Belastung des Walzkörpers durch gezielte pulsierende Druckbeaufschlagung des Hydraulikmediums ermöglicht auf einfache Weise eine Einstellung, Kontrolle und Begrenzung der vom Walzkörper auf die Werkstückoberfläche aufgebrachten Kräfte.

Bei dem zur Erzeugung der Druckpulse im Hydraulikmedium verwendeten Schwinger handelt es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Aktuator.

Zum technologischen Hintergrund wird in diesem Zusammenhang beispielhaft auf die DE 10 2014 220 883 B4 hingewiesen.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist das Oberflächenbearbeitungswerkzeug einen einzigen Walzkörper auf, wobei dieser an der Spitze des Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse ist hierbei insgesamt rohrförmig gestaltet. Bei dem Walzkörper handelt es sich beispielsweise um eine Kugel. Alternativ kann es sich bei dem Walzkörper um eine Rolle, zum Beispiel eine Tonnenrolle, handeln. Ge- genüber dem Gehäuse kann der Walzkörper durch eine Dichtung abgedichtet sein.

In besonders raumsparender Gestaltung kann der Schwinger in das Gehäuse des Werkzeugs eingebaut sein. Im Sinne einer möglichst unverminderten Weiterleitung der Druckpulse ist eine Anordnung des Schwingers nahe am Walzkörper von Vorteil. Der Schwinger kann von einer Vorrichtung zur Erzeugung des Grunddrucks im Hyd- raulikmedium, welcher für den Walzvorgang benötigt wird, insbesondere einer Hyd- raulikpumpe, räumlich getrennt sein. Insbesondere kann eine Hydraulikpumpe als ge- sonderte Maschine, welche nicht dem Oberflächenbearbeitungswerkzeug zuzurech- nen, sondern lediglich mit diesem zu koppeln ist, bereitgestellt werden.

Während des Abrollens des Walzkörpers auf der Oberfläche des Werkstücks bleibt der Kontakt zwischen dem Walzkörper und der Werkstückoberfläche in bevorzugter Verfahrensführung permanent erhalten. Je nach Geometrie des Walzkörpers werden durch diesen beispielsweise sphärische Vertiefungen in der Werkstückoberfläche auf- grund der pulsierenden Druckbeaufschlagung erzeugt. Die Verteilung der auf der Werkstückoberfläche erzeugten Vertiefungen ist typischerweise stochastisch oder quasi-stochastisch.

Handelt es sich bei der bearbeiteten Oberfläche um eine Dichtfläche eines metalli- schen Bauteils, beispielsweise eines Flansches, eines Wälzlagerrings oder eines Gleitlagerrings, so wird mit der Oberflächenstrukturierung ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit, Reibung der Dichtung und Dichtwirkung er- zielt.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur mechanischen Oberflä- chenbearbeitung gelöst, wobei mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug eine Ober- fläche eines rotierenden metallischen Werkstücks durch pulsierende Druckbeauf- schlagung bearbeitet wird, wobei einem Grunddruck po des Hydraulikmediums gezielt Druckpulse oder Druckimpulse Dr überlagert werden. Die Frequenz der mittels des Schwingers realisierten pulsierenden Druckbeaufschla- gung ist insbesondere wesentlich höher als die Frequenz, mit der das zu bearbeitende Werkstück rotiert. Beispielsweise erfolgt die pulsierende Druckbeaufschlagung mit ei- ner Frequenz, welche mindestens dem 24-fachen der Drehzahl des Werkstücks ent- spricht.

Während der pulsierenden Druckbeaufschlagung wird das Werkzeug typischerweise linear gegenüber dem Werkstück verschoben. Hierbei unterscheidet sich die Ge- schwindigkeit der linearen Verschiebung von der Oberflächengeschwindigkeit des Walzkörpers auf dem Werkstück vorzugsweise mindestens um den Faktor 6. Dies be- deutet, dass die Geschwindigkeit, mit welcher das Werkzeug gegenüber dem Werk- stück verschoben wird, entweder wesentlich geringer oder wesentlich höher als die Oberflächengeschwindigkeit des rotierenden Werkstücks ist.

Im Fall eines langsamen Vorschubs des Werkzeugs können auf einer zylindrischen Werkstückoberfläche beispielsweise zahlreiche Vertiefungen erzeugt werden, welche insgesamt eine schraubenförmige Spur beschreiben. Durch eine hohe Frequenz der pulsierenden Druckbeaufschlagung und eine niedrige Steigung der schraubenförmi- gen Spur wird insgesamt eine sehr gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen auf der zylindrischen Werkstückoberfläche erreicht.

Liegt die zu bearbeitende Oberfläche dagegen in einer Ebene, welche normal zur Ro- tationsachse, das heißt Mittelachse, des Werkstücks ausgerichtet ist, so kann das Werkzeug während der Bearbeitung beispielsweise radial von Innen nach Außen oder von Außen nach Innen verschoben werden. Geschieht diese Verschiebung während des Bearbeitungsvorgangs nur ein einziges Mal, so bildet sich eine Spur an Vertiefun- gen, welche eine Spirale beschreibt. Durch geringe Geschwindigkeit der radialen Ver- schiebung und ausreichend hohe Frequenz der pulsierenden Druckbeaufschlagung ist auch hier eine gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen auf der bearbeiteten Fläche, beispielsweise einer Stirnfläche eines zylindrischen Bauteils oder einer Frontfläche ei- nes Flansches, erreichbar. Ebenso sind scheibenförmige Flächen der genannten Art bearbeitbar, indem das Werkzeug im Vergleich zur tangentialen Geschwindigkeit der zu bearbeitenden Ober- fläche relativ schnell oszillierend zwischen einem radial inneren und einem radial äu- ßeren Extrempunkt verfahren wird. Durch das Verfahren des Werkzeugs in radialer Richtung werden Wellen auf der scheibenförmigen Werkstückoberfläche beschrieben. Im Laufe mehrerer Umdrehungen des Werkstücks überlagern sich diese Wellen viel- fach, so dass im Ergebnis auch bei dieser Verfahrensvariante eine stochastisch er- scheinende, mit guter Näherung gleichmäßige Verteilung der Vertiefungen auf der Werkstückoberfläche erreicht wird. Ein analoges Verfahren ist auch bei einer zylindri- schen Werkstückoberfläche anwendbar. In diesem Fall wird das Werkzeug oszillie- rend in Axialrichtung gegenüber dem Werkstück bewegt. Die Frequenz dieser Oszilla- tion ist hierbei höher als die Drehzahl des Werkstücks.

In allen Fällen wird durch das Oberflächenbearbeitungswerkzeug sowohl eine Verfes- tigung als auch eine Strukturierung der bearbeiteten Oberfläche erreicht, wobei die Bearbeitungsparamater in einem weiten Rahmen einstellbar sind.

Unabhängig von der Frequenz, die für die Rotation des zu bearbeitenden Werkstücks letztendlich gewählt wird, ist es besonders bevorzugt, wenn eine Anzahl an Druckpul- sen oder Druckimpulsen T _m pro Wegeinheit des auf einer Oberfläche eines Werk- stücks absolvierten Walzweges Iw im Bereich von 100 bis 5000 pro Meter liegt.

Insbesondere werden Druckpulse oder Druckimpulse Dr aufgebracht, die im Bereich von 0,2 _* po bis 200 bar liegen, wobei po dem Grunddruck im Hydraulikmedium beim Glattwalzen entspricht. Etwaige systembedingte Schwankungen des Grunddrucks sind dabei vernachlässigbar, da der Druckpuls immer dem aktuellen Grundruck zuad- diert wird.

Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Bearbeitung einer Dicht- fläche eines metallischen Bauteils, insbesondere eines Flansches oder eines Bauteils eines Lagers, hat sich besonderes bewährt. Als Dichtfläche wird eine Oberfläche des Bauteils bezeichnet, gegen welche eine Dichtung, insbesondere eine elastische Dich- tung aus Kunststoff, berührend anläuft.

Bei dem Bauteil eines Lagers handelt es sich insbesondere um einen Wälzlagerring, insbesondere eines Radlagers, oder einen Gleitlagerring. Mit einer Oberflächenstruk- turierung wird bei einem metallischen Bauteil in dessen Anlaufbereich für eine Dich- tung ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit, Reibung der Dichtung und der erzielten Dichtwirkung erhalten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand zweier Zeichnungen näher erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 in einer vereinfachten Schnittdarstellung ein Werkzeug zur mechani- schen Oberflächenbearbeitung, und

Fig 2 eine Darstellung zum Glattwalzen mit pulsierendem Druck im Walz- kontakt.

Ein Werkzeug 1 zur mechanischen Oberflächenbearbeitung weist ein Gehäuse 2 auf, welches im Ausführungsbeispiel als Rohrkörper ausgebildet ist. Das Werkzeug 1 ist zur modifizierten Glattwalzbearbeitung vorgesehen und wird vereinfachend auch als Glattwalzwerkzeug bezeichnet. Mit dem Werkzeug 1 wird eine Oberfläche eines Werkstücks bearbeitet, welche als Dichtfläche fungieren soll. Insbesondere kann es sich um eine Dichtfläche eines Lagers, insbesondere eines Wälz- oder Gleitlagers, vorzugsweise eines Radlagers handeln. Die Dichtfläche ist dabei unmittelbar an ei- nem Lagerring des Lagers, insbesondere einem Wälzlagerring eines Radlagers, aus- gebildet.

In das Gehäuse 2 des Werkzeugs 1 ist, wie aus Fig. 1 hervorgeht, ein Schwinger 4 in- tegriert. Bei Schwinger 4 ist Teil eines piezoelektrischen Aktuators 3 und grenzt an ei- nen den Rohrkörper durchziehenden Hohlraum 5, welcher mit einem Hydraulikmedi- um gefüllt ist. Bei dem Hydraulikmedium handelt es sich beispielsweise um ein Hyd- rauliköl oder um Kühlschmiermittel. Der Hohlraum 5 durchzieht den gesamten Rohrkörper, wobei an einen mittleren Ab- schnitt 6 erweiterten Querschnitts zwei Abschnitte 7, 8 verengten Querschnitts an- schließen. Ein Endabschnitt 9 des Hohlraums 5 an der Spitze des Rohrkörpers ist ge- genüber dem Abschnitt 7 aufgeweitet und erstreckt sich bis zu einer Bearbeitungsku- gel, die allgemein als Walzkörper 10 bezeichnet wird.

Die Bearbeitungskugel ragt aus dem Rohrkörper heraus und ist gegenüber diesem durch eine Dichtung 11 abgedichtet. Auf der gegenüberliegenden Seite, das heißt hin- teren Seite, des Rohrkörpers ist eine weitere Dichtung 12 erkennbar, welche den ab- gedichteten Anschluss des Werkzeugs 1 an eine Druckmittelversorgung ermöglicht.

Durch die Druckmittelversorgung wird ein Grunddruck po des Hydraulikmediums im Hohlraum 5 eingestellt. Diesem Grunddruck powird durch den piezoelektrischen Aktu- ator 3 einschließlich des Schwingers 4 eine pulsierende Druckbeaufschlagung überla- gert. Die einzelnen Druckpulse oder Druckimpulse Dr sorgen dafür, dass der Walz- körper 10 beim Bearbeitungsvorgang einzelne Vertiefungen in einer metallischen Werkstückoberfläche erzeugt.

Während des Bearbeitungsvorgangs ist das Werkstück in einer Ausführungsform der Erfindung in eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere Drehmaschine, eingespannt. Die zu bearbeitende Werkstückoberfläche weist dabei typischerweise eine zylindri- sche Form auf. Das Werkzeug 1 wird zur Bearbeitung in radialer Richtung an das Werkstück herangeführt und bei der Bearbeitung in axialer Richtung, das heißt in Längsrichtung der Werkstückmittelachse, verschoben. Die Frequenz, mit der die Be- arbeitungskugel pulsiert, ist um ein Vielfaches höher als die Oberflächengeschwindig- keit des Werkstücks. Der Kontakt zwischen dem Walzkörper 10 und der Werkstück- Oberfläche bleibt während des Bearbeitungsvorgangs permanent aufrechterhalten.

Figur 2 zeigt eine Darstellung zum Glattwalzen mit pulsierendem Druckverlauf im Be- reich des Walzkontakts zwischen Walzkörper 10 und einem metallischen Werkstück. Das Diagramm zeigt den Walzdruck p aufgetragen über dem zurückgelegten Walz- weg Iw auf der Oberfläche des Werkstücks. Dargestellt ist der Druckverlauf des Walz- körpers 10 auf der Oberfläche eines glattzuwalzenden Werkstücks. Ausgehend vom zum Glattwalzen benötigten Grunddruck po in bar werden positive Druckpulse oder Druckimpulse Dr in bar erzeugt, wobei ein Maximaldruck po + Dr erreicht wird, der pulsierend auf das zu bearbeitende Werkstück übertragen wird. Dies führt zu einer bleibenden Oberflächenstruktur auf dem metallischen Werkstück mit Vertiefungen, die insbesondere im Bereich einer Dichtfläche eines solchen Werkstücks die oben be- schriebenen Vorteile hinsichtlich zwischen Verschleißfestigkeit, Reibung der Dichtung und der erzielten Dichtwirkung aufweist.

Dabei muss der pulsierende Druckverlauf nicht zwingend eine Sinuskurve beschrei- ben, wie in Figur 2 annähernd gezeigt, sondern kann im Verlauf des Walzweges Iw auch anschwellende, abschwellende, sich wiederholende, unterschiedliche und auch unregelmäßige Verläufe des Maximaldrucks über die Oberfläche des Werkstücks ver- teilt zeigen.

Bezuqszeichenliste Werkzeug

Gehäuse

Piezoelektrischer Aktuator

Schwinger

Hohlraum

mittlerer Abschnitt

Abschnitt

Abschnitt

Endabschnitt

Walzkörper

Dichtung

weitere Dichtung