P12: Charakterisierung und Nutzung prozessinduzierter Eigenspannungen bei der Herstellung von Funktionsflächen durch Near-Net-Shape-Blanking Verfahren

Eine Möglichkeit Funktionsflächen wirtschaftlich herzustellen sind Near-Net-Shape-Blanking Verfahren (NNSBV). Die Trennprozesse gehen mit großer plastischer Deformation einher und erzeugen daher Eigenspannungen im Bauteil. Bisher gibt es keine Ansätze diese umformtechnisch induzierten Eigenspannungen zu Nutzen beziehungsweise deren Druck- und Zuganteile entsprechend eines geforderten, bauteilspezifischen Eigenspannungsprofils gezielt einzubringen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, im Rahmen des sechsjährigen Schwerpunktprogramms den Eigenspannungszustand durch NNSBV hergestellter Funktionsflächen gemäß den gestellten bauteilspezifischen Anforderungen zu induzieren und somit deren Betriebsfestigkeit ohne kostenintensive Zusatzoperationen zu verbessern.

Ergebnisse der 1. Projektphase

Im Fokus der ersten Förderperiode stand die reproduzierbare und gezielte Einstellung eines gewünschten Eigenspannungsprofils. Dies wurde an einer einfachen Scheibengeometrie für fünf verschiedenen NNSBV untersucht, wobei signifikante Unterschiede je nach Wahl des Verfahrens hinsichtlich des Eigenspannungszustandes festgestellt wurden. Weiterhin konnte mithilfe von Schwingfestigkeitsversuchen die daraus resultierende Eigenschaftsverbesserung nachgewiesen werden. Exemplarisch ist dies in Abbildung 1 verdeutlicht. Trotz nahezu identischer Schnittflächengeometrie, Rauheit und Härte werden bei Bauteilen mit höheren Druckeigenspannungen mehr Lastspiele bis zum Bruch der Probe beobachtet. Durch den Vergleich mit spannungsarmgeglühten Bauteilen konnte dieser Effekt eindeutig auf den Eigenspannungszustand zurückgeführt werden.

Neben der Wahl des NNSBV wurde der Einfluss der Prozessparameter Schneidspalt und Schneidkantenradius sowie der Schnittliniengeometrie auf Eigenspannungen und Schwingfestigkeit analysiert. Mit diesen Ergebnissen wurde weiterhin ein Finite-Elemente-Modell aufgebaut, das die Optimierung des Spannungszustandes in einem großen Parameterbereich erlaubt. Mit der Untersuchung einer konvex-konkaven Scheibe konnte weiterhin der Grundstein für die komplexeren Prüfkörper der nächsten Förderperiode gelegt werden.

Ziele der 2. Projektphase

Die in der ersten Förderperiode erfolgreich gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der Beeinflussung des Eigenspannungszustands und der daraus resultierenden, verbesserten Schwingfestigkeit an einfachen Prüfgeometrien (Kreisscheibe, C-Profil, Konvex-Konkave-Scheibe) werden in der zweiten Förderperiode auf reale Verzahnungsgeometrien übertragen. Somit wird die Möglichkeit zur wirtschaftlichen Herstellung von Funktionsflächen durch NNSBV ohne zusätzliche Wärmebehandlung oder Folgeprozesse weiterverfolgt. Dabei wird die plastische Deformation des Blechs durch den Scherschneidvorgang ausgenutzt, um ein gezieltes, bauteil- und lastfallspezifisches Eigenspannungsprofil zu erzeugen.

Die prinzipielle Möglichkeit der Beeinflussung des Eigenspannungszustandes über die Wahl des NNSBV und dessen Prozessparameter wurde in der ersten Förderperiode erbracht. Die darauf aufbauende konvex-konkave Scheibe beinhaltet lediglich zwei verschiedene, relativ große Radien bei denen nur kleine Kanteneinzugshöhen zu erwarten sind. Deswegen werden in dieser Förderperiode reale Verzahnungsgeometrien hergestellt, um den Einfluss der beiden Störgrößen “Kanteneinzug” und “Enge Radien” zu identifizieren und im bidirektionalen Eigenspannungs- und Schwingfestigkeitsmodell insbesondere für den Zahnfußbruch zu berücksichtigen. Diese Modelle erlauben entweder für ein definiertes Anforderungsprofil das geeignete NNSBV und die zugehörigen Prozessparameter zu wählen oder ausgehend von der Bauteilkrümmung, von dem gewählten NNSBV und von dessen Prozessparametern auf das Eigenspannungsprofil und die daraus resultierende Bauteilfestigkeit zu schließen.

Ansprechpartner

utg - Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen

Projektleitung P12.B
Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk

Projektbearbeiter
Jens Stahl
Anian Nürnberger

FZG - Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau

Projektleitung P12.A
Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl

Projektbearbeiter
Daniel Müller
Karl Jakob Winkler