Modellierung des Festwalzens von Verdichterschaufeln für Turbo-Flugtriebwerke

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5406157

Das Festwalzen dünnwandiger Bauteile wird erst seit kurzem angewendet. Realisiert wird es durch zwei sich gegenüberliegende Walzkugeln, in deren Mitte sich das dünnwandige Werkstück befindet. Durch die entgegengesetzte Walzkraftorientierung kompensieren sich die Bearbeitungskräfte und ein Verbiegen des Bauteils wird unterbunden. Die hohen Kontaktspannungen zwischen den Kugeln und dem Werkstück ermöglichen eine lokale plastisch Werkstoffverformung. Diese resultiert in eine Verfestigung, der Induzierung von Druckeigenspannungen und eine Oberflächenglättung. Die hydrostatische Lagerung der Walzkugeln ermöglicht ein Festwalzen entlang jeder denkbaren Oberflächenbahn. Walzfelder können durch parallel angeordnete Walzspuren realisiert und somit geschlossene Bauteilbereiche festgewalzt werden.Von besonderem Interesse ist ein solcher Prozess für die Steigerung der Schwingfestigkeit von Turbinenschaufelblättern, vor allem wenn diese durch auftreffende Fremdobjekte beschädigt wurden. Die Einführung solch eines innovativen inkrementellen Umformverfahrens in die industrielle Praxis erfordert eine detaillierte Prozessmodellierung um in Abhängigkeit geforderter Bauteileigenschaften Walzstrategien und ?parameter vorhersagen zu können. Dies scheitert bisher an dem fehlenden Wissen bezüglich der elastisch plastischen Vorgänge sowie an leistungsfähigen Methoden derart große Bauteilmodelle mit den erforderlichen lokalen Diskretisierungen abbilden zu können.ZielsetzungHieraus ergeben sich folgende Zielsetzungen: 1. Anfangs wird durch praktische Untersuchungen ein Prozessverständnis für die elastisch plastischen Vorgänge im Bereich der Walzkugeln und die Auswirkung dieser lokalen Geschehnisse auf die Gesamtgeometrie des Bauteils entwickelt. 2. Aus diesem Prozessverständnis wird abgeleitet, wie eine realitätsnahe Prozessmodellierung in unmittelbarer Umgebung der Walzkugeln durch ein FE-Modell realisiert werden kann. Die Modellierung des "Mikrobereiches" wird mit Hilfe der FE-Methode vorgenommen, wobei unter anderem verschiedene Grade der Prozessvereinfachung, verschiedene FE-Programme, Netzgrößen und Werkstoffmodelle miteinander verglichen und bewertet werden. 3. Zur Überprüfung des Mikromodells werden fähige Methoden zur Verifikation der kleinen plastischen Umformvorgänge entwickelt und getestet. 4. Zur Vorhersage der Verzerrung des Gesamtbauteils durch die Wechselwirkung der festgewalzten Bereiche wird eine Verknüpfung des FEM-Mikromodells mit einem BEM-Makromodell realisiert. 5. Zur Verifikation des gekoppelten FEM-BEM-Modells wird die Bearbeitung eines dünnwandigen und großflächigen Demonstrators vollständig simuliert und mit der Geometrie und den Eigenschaften eines realen Bauteils verglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1146: Modellierung inkrementeller Umformverfahren