P1: Gezielte Erzeugung und Stabilisierung von Eigenspannungen in austenitischen Tellerfedern durch inkrementelle Umformung und integrierte Randzonenbeeinflussung

Ziel des Projekts ist es, inkrementelle Umformverfahren zur Umformung und integrierten Eigenspannungseinstellung von Tellerfedern zu nutzen, um verbesserte Federeigenschaften und eine höhere zyklische Beanspruchbarkeit zu erreichen. Hierdurch soll die Eigenspannungseinstellung in den Umformprozess verlagert und eine aufwändige Nachbehandlung durch Kugelstrahlen vermieden werden. Wenn es gelingt, die gezielte Einstellung von Eigenspannungen in den Formgebungsprozess der Tellerfeder zu integrieren und für die Verbesserung der Federeigenschaften zu nutzen, können zeitaufwändige und kostenintensive Kugelstrahloperationen, der Einsatz teurerer Werkstoffe, die Herstellung von Sonderfedern oder die Vergrößerung des Bauraums vermieden werden. Aus Untersuchungen der letzten Jahre ist bekannt, dass inkrementelle Blechumformverfahren besonders hohe Eigenspannungen hervorrufen, die zu unerwünschten Rückfederungen führen. Diese könnten bei Tellerfedern gezielt für die Einstellung der Federkennlinie und der Lebensdauer genutzt werden.

Ergebnisse der 1.Projektphase

Innerhalb der erste Projektphase wurden die notwendigen Versuchsaufbauten und Vorrichtungen, mikromagnetische Methoden und Simulationsmethoden entwickelt und getestet, mit denen effizient ein breites Spektrum von Prozessparametern hinsichtlich der gezielten Einbringung von Eigenspannungen und der erzielten Eigenschaftsverbesserungen charakterisiert werden kann. Die wesentlichen Erkenntnisse sind bisher:

  • Von den zu untersuchenden Prozessvarianten ist die Variante TPIF-negativ für die Herstellung der Tellerfedern und die Einstellung der gewünschten Druckeigenspannungen am besten geeignet.
  • Die Federcharakteristik, insb. die Maximalkraft, kann bei inkrementeller Umformung gegenüber einer konventionellen Feder vergrößert werden.
  • Die Eigenspannungen korrelieren in untersuchenden Werkstoffen (1.4310 und 1.4401) mit dem Martensitgehalt, der sich aus dem Umformprozess im Kontaktbereich ergibt.
  • Hinsichtlich der Ermüdungseigenschaften zeigen die Verläufe der Wegamplitude und des Wegmittelwertes ein stabilisiertes Ermüdungsverhalten bei beiden Stählen (1.4310, 1.4401).
  • Die mikromagnetischen Messungen geben Aufschluss über den Eigenspannungszustand der Tellerfedern. Da der Martensitgehalt der Tellerfedern mit zunehmender Zyklenzahl zunimmt, liefern die mikromagnetischen Messungen einen Anhaltspunkt für den im zyklischen Versuch erfolgten Schädigungsfortschritt und können darüber zur Abschätzung der Restlebensdauer herangezogen werden.
  • Ein in LS-Dyna implementiertes Modell der Martensitbildung kann den Martensitanteil als Funktion der Vergleichsformänderung und deren Wirkung auf die isotrope Verfestigung vorhersagen. Das Modell ist an die CP-FEM gekoppelt. Mit dieser Kopplung lässt sich der Effekt der Phasenumwandlungen auf Gefügeebene vorhersagen und in die makroskopische Prozesssimulation integrieren.

Ziele der 2.Projektphase

Im Sinne der Programmziele zielt die zweite Antragsphase daher darauf ab,

  • Ein quantitatives Verständnis der Entstehung von Eigenspannungen in federharten austenitischen Werkstoffen bei inkrementeller Umformung unter Berücksichtigung von Störgrößen und Materialschwankungen zu gewinnen,
  • Die durch die umformtechnisch erzeugten Eigenspannungen erzielten Eigenschaftsverbesserung in Hinblick auf die Zielgrößen (Energiespeichervermögen, Schwingfestigkeit und Stabilität der Kennlinie) zu quantifizieren,
  • Die entwickelten Modelle für die Eigenspannungsentstehung zu validieren und zur gezielten Einstellung gewünschter Eigenspannungen in inkrementell umgeformten Tellerfedern zu nutzen und
  • Dine schnelle Eigenspannungsmessung anhand mikromagnetischer Messverfahren für die Fertigungskontrolle und das Condition-Monitoring zu valideren.

Ansprechpartner

WPT - Fachgebiet Werkstoffprüftechnik

Projektleitung P1.B
Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Walther

Projektbearbeiter
Ramin Hajavifard

KuF - Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung

Projektleitung P1.A
Dr.-Ing. Johannes Buhl

Projektbearbeiter
Muhammad Junaid Afzal