• Uni/Hochschule: Institut für Produktionstechnik IfP an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Michael Schneeweiß, Jan Glühmann
  • Artikel vom: 16 November 2015
  • Seitenaufrufe: 1702
  • Artikel Nummer: 055-026-de
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung
  • Schlüsselbegriffe: composite material, compressive stress, Dauerfestigkeit, Druckspannung, Endbearbeitung, fatigue limit, finishing, Lebensdauer, life time, Metalle, metals, Ultraschall, ultrasonic, Verbundwerkstoffe
  • Schwingungsüberlagerte Endbearbeitung zur Lebensdauersteigerung

    Insbesondere an dynamisch hochbelasteten Bauteilen, kann eine Lebensdauersteigerung durch die schwingungsüberlagerte – ultraschallunterstützte – Endbearbeitung erzielt werden. Eine Kombination aus gezieltem Glätten und Verfestigen ermöglicht die Steigerung ertragbarer Spannungen in kritischen Bauteilbereichen, so dass die Einsatzsicherheit verbessert und Leichtbaubestrebungen unterstützt werden. An geeigneten Probekörpern, die den Typenvertreter Kurbelwelle simulierten, konnte durch die schwingungsüberlagerte Endbearbeitung eine Steigerung der ertragbaren Lastwechselzahl bis Probenbruch um den Faktor 2,6 erreicht werden.

    Der Einsatz bekannter Endbearbeitungsverfahren wie zum Beispiel Strahlen, Festwalzen, Hart-Feindrehen und Schleifen sowie Honen, Läppen (konventionell oder aber ultraschallüberlagert) und Polieren, verfolgt in der Regel zwei Zielrichtungen. Zum einen, sollen besondere Forderungen hinsichtlich der geometrischen Feingestalt erfüllt werden, die durch konventionelle Bearbeitungsverfahren nicht zu realisieren sind. Dies betrifft vor allem Oberflächenrauheiten kleiner 0,01µm (Ra), einen erhöhten Materialtraganteil (> 90%), sowie geringere Toleranzen für Rundheit, Welligkeit und Zylindrizität. Anwendung finden hier vorrangig spanende Fertigungsverfahren.

    Zum anderen werden bauteilspezifisch Forderungen an die Randzoneneigenschaften endbearbeiteter Werkstücke gestellt. Von besonderem Interesse ist dabei der Eigenspannungszustand in oberflächennahen Bereichen. Gelingt es, häufig auftretende, vorbearbeitungsbedingt Zugeigenspannungen in Oberflächennähe abzubauen und sogar in Druckeigenspannungen umzuwandeln, so kann einer Rissinitiierung unter Betriebsbelastung wirkungsvoll entgegengewirkt und die Bauteillebensdauer erhöht werden. Etablierte Verfahren zur Randzonenmanipulation sind dabei das Strahlen und Festwalzen, die auf dem Prinzip der Kaltverfestigung beruhen. Nach [1] ist bspw. durch das Festwalzen mit einer Dauerfestigkeitssteigerung um den Faktor 1,3 - 2,5 zu rechnen. Beide Endbearbeitungsverfahren,   sind jedoch durch verfahrensspezifische Nachteile gekennzeichnet. So bedingt das Festwalzen den Einsatz einer vergleichsweise aufwendigen, hydraulischen Anlagentechnik, die mit erhöhten Anschaffungs- und Instandhaltungskosten einhergeht. Weiterhin sind hohe Prozesskräfte (> 600 N) erforderlich, die die gewünschten, plastischen Randzonenverformungen ermöglichen. Diese bedingen einen entsprechenden Energiebedarf und führen zwangsweise zur Deformationsgefahr an dünnwandigen Bauteilen.

    Beim Strahlen ist neben der geringen Reproduzierbarkeit des Bearbeitungsergebnisses, ebenfalls die unvermeidbare Aufrauhung der Bauteiloberfläche zu nennen, was wiederum die erzielbare Oberflächengüte begrenzt.

    Zur Beseitigung dieser verfahrensbedingten Nachteile, bietet sich der Einsatz neuer, wirkenergieunterstützter Nachbehandlungsmethoden an. Im Speziellen ist darunter die ultraschallunterstützte Nachbehandlung zu verstehen, bei der ein bauteilspezifisch gestaltetes, verschleißfestes Bearbeitungswerkzeug, unter axialer Schwingungsüberlagerung im Ultraschallbereich (≥ 20 kHz), orthogonal zur Bauteiloberfläche geführt wird (vgl. Abb. 1). Infolge der hochfrequenten, schlagartigen Materialbelastung durch das schwingende Bearbeitungswerkzeug, laufen gleichfalls Verfestigungsmechanismen ab, die zur Ausbildung oberflächennaher Druckeigenspannungen führen. Zusätzlich kann bei geeigneter Werkzeugwahl eine drastische Reduktion der Oberflächenrauheit erzielt werden.

    Neben den Effekten der Oberflächenverfestigung sowie -glättung, ergeben sich weiterhin folgende Verfahrensvorteile gegenüber den vorab genannten, konventionellen Endbearbeitungsverfahren:

    • geringer Anlagenaufwand (geringe Anschaffungs- und Instandhaltungskosten)
    • kein Kühlschmierstoffbedarf (keine Schmierstoffkosten; keine zusätzliche Umweltbelastung)
    • geringe Prozesskräfte (< 150 N; geringer Energiebedarf; keine Bauteildeformation)
    • Anlage einfach in Werkzeugmaschine integrierbar (keine Sondermaschinen erforderlich)
    • hohe Reproduzierbarkeit (geringe Störanfälligkeit; partielle Behandlung möglich).

    Auf der Grundlage vorangegangener, langjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu wirkenergieunterstützten Fertigungsverfahren am Institut für Produktionstechnik der WHZ, wurde im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes (SMWK 2014) nun grundsätzlich untersucht, inwieweit die ultraschallunterstützte Nachbehandlung zur Lebensdauersteigerung dynamisch hochbelasteter Bauteile beitragen kann. Als Typenvertreter wurden PKW-Kurbelwellen aus den Werkstoffen Gusseisen (EN-GJS-600-3) und Stahl (42CrMo4) ausgewählt.

    Randbedingungen

    Die experimentellen Untersuchungen im Projekt konzentrierten sich auf zwei grundsätzliche Fragestellungen. Zum einen sollte geklärt werden, ob und in welcher Höhe Druckeigenspannungen in kurbelwellentypischen Werkstoffen durch die Ultraschallbehandlung induziert werden können. Zum anderen war zu klären, welche Auswirkungen so eingestellte Druckspannungen auf die Lebensdauer von Realkurbelwellen erwarten lassen. Hierzu wurden in einem ersten Schritt prismatische Probekörper betrachtet, die mit unterschiedlichen Ultraschallparametern wie Amplitude, Zeilenabstand, Bearbeitungskraft und Vorschubgeschwindigkeit, nachbehandelt wurden. Die Veränderung des Eigenspannungszustandes konnte zerstörungsfrei mittels Röntgendiffraktometer erfasst werden (siehe Abb. 2). Die Lebensdaueruntersuchungen hingegen, erfolgten an speziellen, rotationssymmetrischen Probekörpern, an denen der kritische Bauteilbereich von Kurbelwellen, die sog. Hohlkehle, simuliert wurde (vgl. Abb. 3 Simulation der Hohlkehle für dynamische Bauteiluntersuchungen). Sämtliche Proben mussten dabei eine wechselnde Torsionsbelastung von ± 400 Nm ertragen, wobei die gewählte Spannung zu einem Versagen im Zeitfestigkeitsbereich führte. Auch bei diesen Tests sollten durch die Variation der Ultraschallparameter günstige Nachbehandlungsbedingungen ermittelt werden.

    Kernergebnisse

    Die Untersuchungsergebnisse zur Eigenspannungsausbildung an prismatischen Proben aus relevanten Kurbelwellenwerkstoffen machen deutlich, dass im unbehandelten, d. h. im gefrästen Vorbearbeitungszustand, typische, oberflächennahe Zugeigenspannungen auftreten (vgl. Abb. 4). Eine ultraschallunterstützte Endbearbeitung führt dann, unabhängig von den getesteten Verfahrensparametern, immer zu einem Abbau der schadensrelevanten Zugspannungen, unter gleichzeitigem Aufbau eines günstigen Druckspannungszustandes. Dies gilt sowohl für den betrachteten Stahlwerkstoff 42CrMo4, als auch für den Gusseisenwerkstoff EN-GJS-600-3. Das Induzieren der Druckeigenspannungen gelang dabei schon mit einer vergleichsweise geringen Bearbeitungskraft von lediglich 50 N.

    Je nach Variation einzelner Ultraschallparameter, lassen sich weiterhin Tendenzen für den erzielbaren Druckeigenspannungsbetrag ableiten. So ermöglicht bspw. eine Steigerung der Überdeckung – was gleichbedeutend mit einer Reduktion des Zeilenabstandes za ist – den Anstieg der Druckspannungswerte. Ausgehend von diesen signifikanten, mehr als 250 % betragenden Eigenspannungsänderungen durch die Ultraschallbehandlung, wurden gemäß Abb. 3 dynamische Tests an Stahlproben durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die unbehandelten, lediglich vorgedrehten Proben bei einer mittleren Lastwechselzahl von ca. 79.000 durch Bruch versagten. Die Nachbehandlung identisch vorbearbeiteter Proben, mit einer Bearbeitungskraft von 50 N, bewirkte eine Anhebung der ertragbaren Lastwechselzahl auf ca. 180.000. Dies entspricht einer Steigerung um den Faktor 2,3 (vgl. Abb. 5). Bei Nutzung noch größerer Bearbeitungskräfte (hier 150 N), kann eine weitere Lastwechselsteigerung generiert werden (Faktor 2,6).

    Resümee

    Die wissenschaftliche Analyse innovativer Fertigungsverfahren, wie am Beispiel der Ultraschallnachbehandlung gezeigt, stellt die Voraussetzung für eine zukünftig ressourcenschonende und leistungssteigernde Bauteilendbearbeitung dar. Gegenüber den etablierten Verfahrensvarianten ergeben sich Vorteile, die aus der hochfrequenten, wiederholten Randzonenbeanspruchung resultieren und durch die Kombination von Glätt- und Verfestigungseffekten, zu nachweisbaren Lebensdauersteigerungen führen.

    Neben dem dargestellten Einsatzfall PKW-Kurbelwelle, ergeben sich weitere Anwendungsgebiete für die ultraschallunterstützte Nachbehandlung im allgemeinen Maschinenbau, der Präzisionsteilefertigung, dem Werkzeug- und Formenbau, dem Turbinenbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik. Im Besonderen betrifft dies dynamisch hochbeanspruchte Bauteile wie Ein- und Auslassventile, Aktivteile von Umformwerkzeugen, oder aber Dampfturbinenschaufeln.

    Die Arbeiten wurden 2014 im Rahmen der Forschungsförderung an Fachhochschulen vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst unter dem Kennzeichen 4-7531.50/1146/3 gefördert.


    Info

    Prof. Dr. sc. techn. Michael Schneeweiß

    Professor für Fertigungstechnik/Spanungstechnik
    Fakultät Automobil- und Maschinenbau
    Institut für Produktionstechnik IfP an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
    Tel: +49 375-5361720
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    www.fh-zwickau.de

    Dr.-Ing. Jan Glühmann

    Wissenschaftlicher Mitarbeiter
    Fakultät Automobil- und Maschinenbau
    Institut für Produktionstechnik IfP an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
    Tel: +49 375-5361727
    Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
    www.fh-zwickau.de

    Quellen

    [1]
    Radaj, D.; Vormwald, M.: Ermüdungsfestigkeit – Grundlagen für Ingenieure. 3. Auflage. Berlin; Heidelberg; New York: Springer-Verlag, 2007. -ISBN 978-3-540-71458-3

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