Steigern der Bauteillebensdauer mittels Randzonenbeeinflussung durch die hybride Verfahrenskombination Drehwalzen.

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 366947252

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das kombinierte Drehwalzen vereint die konventionellen Einzelprozesse Drehen und Festwalzen in einem Werkzeug und somit in einem Prozessschritt. Durch das Drehwalzen lassen sich gleichzeitig mehrere positive Effekte erzielen. Diese resultieren daraus, dass das Bauteil durch die hydrostatisch gelagerte Walzkugel einer hohen Passivkraft ausgesetzt ist und dass dieser integrierte Festwalzprozess die parallel durch das Drehen induzierte Bauteiltemperatur ausnutzen kann. Die zum Steigern der Bauteilschwingfestigkeit optimalen Bauteiltemperaturen während der Oberflächenverfestigung von C45 mittels Festwalzen beträgt TOb = 300 °C bis TOb = 350 °C. Dazu wurden die maximalen Biegelastspannungen und Lastwechsel sowie die maximal induzierten Druckeigenspannungen zur Analyse durch Umlaufbiegeuntersuchungen und Röntgendiffraktometrie herangezogen. Anschließend wurde erarbeitet, wie das Ergebnis der optimalen Bearbeitungstemperatur durch den Drehprozess eingestellt werden kann, ohne eine zusätzliche Wärmequelle einsetzten zu müssen. Das Kernergebnis ist, dass sich über die Prozessstellgrößen Schnittgeschwindigkeit vc und Vorschub f sowie über die Eigenschaften der Werkzeugmikrogeometrie ein breites Temperaturband von TOb = 100 °C bis TOb = 580 °C zum Zeitpunkt des Festwalzens einstellen lässt. Der Vergleich des Randzonengefüges nach der konventionellen Festwalzbearbeitung und dem Drehwalzen zeigt, dass der verfestigte Werkstoffbereich in der Bauteilrandzone durch das Drehwalzen bis zu 100 % tiefer eingebracht werden kann. Beachtlich ist der Unterschied in der Tiefenwirkung der induzierten Druckeigenspannungen durch den kombinierten Drehwalzprozess. Die durch Drehwalzen eingebrachten Spannungen liegen mit einem Abstand von der Oberfläche von z ≥ 1200 µm bis zu 100 % tiefer unter der Bauteiloberfläche, als durch das zeitlich voneinander getrennte Drehen und Festwalzverfahren. Die Grundhärte des unbearbeiteten Werkstoffs beträgt 190 HV1. Die konventionelle Dreh- und Festwalzbearbeitung bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 220 m/min führt zu einer Härtesteigerung bis auf 245 HV1. Der kombinierte Drehwalzprozess lässt bei gleichen Bearbeitungsparametern die Oberflächenhärte auf über 320 HV1 ansteigen. Die Kombination der beiden Prozesse in einem Werkzeug und damit die parallele Bearbeitung führt durch Ausnutzen der Prozesstemperaturen nach dem Drehvorgang zu einem Härteanstieg von 40 %. Die gemittelte Rautiefe beträgt nach dem Drehwalzen konstant 16 % weniger als nach der Festwalzbearbeitung. Daher lassen sich die geringeren Rauheiten Rz durch das Drehwalzen wiederum auf die Ausnutzung der in das Bauteil induzierten Temperaturen und die hierdurch höhere Plastizität des Werkstoffs zurückführen. Die Temperatur im Bauteil steigt, als Folge sinkt die Streckgrenze wodurch die plastische Verformung eher einsetzt und daraus resultieren bei gleichem Festwalzdruck geringere Rauheiten. Global geht daraus hervor, dass die Haupteinflussgrößen der Festwalzdruck pW und der Vorschub f sind. Umlaufbiegeuntersuchungen zeigen, dass das Drehwalzen zu einer Verringerung des belastungsbedingten Eigenspannungsabbaus von 67 % führt und sich höhere Prozesstemperaturen positiv auf die Eigenspannungsstabilität auswirken. Anschließende Untersuchungen bei erhöhten und somit praxisrelevanteren Belastungstemperaturen von bis zu TB = 200 °C zeigen eine gesteigerte Stabilität der Druckeigenspannungen durch Drehwalzen von 83 %. Im Belastungsbereich von B = 380 MPa liegt bei den drehgewalzten Umlaufbiegeproben der Dauerfestigkeitsbereich bei 10 Millionen Lastspielen. Die analog durch Festwalzen hergestellten Proben fallen unter identischen Belastungsparametern bereits bei NB = 500.000 Lastspielen aus. Dies entspricht einer Lebensdauersteigerung durch Drehwalzen von L10 ≥ 1.900 %. Ausschlaggebend für die Lebensdauersteigerung durch das neuartige Drehwalzen ist die Gefügebeeinflussung, vor allem bei höheren Schnittgeschwindigkeiten. Steigende Schnittgeschwindigkeiten führen zu einem höheren Energieeintrag in das zu bearbeitende Bauteil und die resultierenden Bauteiltemperaturen führen gekoppelt mit der direkten Oberflächenverfestigung beim Drehwalzen zu einer signifikanten Randzonenverfestigung mit ausgeprägter Kornfeinung. Das Drehwalzen führt hierbei im Vergleich zum konventionellen Festwalzen zu einer 55 % höheren Kornfeinung im Gefüge der Randzone. Die Hypothese, dass das Drehwalzen das Potential zum Ausnutzen der Prozesstemperaturen für stabilere Druckeigenspannungen und somit für höhere Bauteillebensdauern als konventionelle Oberflächenverfestigungsverfahren besitzt, wurde somit bestätigt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Drehwalzen: Grundlagen zur Lebensdauersteigerung und Verzugskompensation. Dr.-Ing. Diss., Leibniz Universität Hannover, 2019
  Kuhlemann, P.
  
• Drehwalzen: Zerspanprozess und Oberflächenveredelung vereint. ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Jahrgang 114, Ausgabe 7-8, S. 422 – 425, 2019
  Denkena, B.; Kuhlemann, P.
  
• Influence of thermal effects in turn-rolling. Journal of Manufacturing Science and Technology Volume 31, S. 294- 304, 2020
  Kuhlemann, P.; Denkena, B.; Krödel, A.; Beblein, S.
  
• Hybrid soft machining of AISI 1045 by turnrolling and its advantages. Journal of Manufacturing Science and Technology Volume 32 ,S.196-204, 2021
  Kuhlemann, P.; Denkena, B.; Grove, T.