Umformtechnisch hergestellte Getriebewelle

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1 Ziel à Gezielte Einstellung der Prozessparameter (Werkzeug, Werkstoff, Reibung, Stufenabfolge) und Ausnutzung der lokalen Kaltverfestigung zur Einsparung von Gewicht oder Substitution von Wärmebehandlungen Festigkeitsverteilung vor und nach der Umformung (N/mm 2 ) Umformgradverteilung (Umformgrad φ = 1) R m = 9 11 N/mm 2 Nach H.D. Feldmann Vergleichsumformgrad φ

2 Forschungsinstitute Felix Kolpak Oliver Napierala Christoph Dahnke Forschungsvereinigungen Im Folgenden werden Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt Erweiterung technologischer Grenzen bei der Massivumformung in unterschiedlichen Temperaturbereichen ( P 157 / IGF-Nr N) präsentiert. 2

3 Konzept zur Getriebewellenfertigung Konzept Wellengrundkörper Getriebewelle Prozessroute Einstufig Matrizengeometrie & Tribologie α 1 d r 1 d 1 + α 2 r 2 Verzahnung Zweistufig d 2 µ 1, µ 2, µ 3 3

4 Vorgehen 2 1 Vergleichsumformgrad φ v Numerische Analyse der Einflussparameter Maximierung der Umformgrade im Randbereich beim VVFP Mehrstufige Fließpressversuche Bauteileigenschaften Härte Rauheit Eigenspannungen Mikrostruktur Festigkeit 4

5 Einflüsse auf die Festigkeit im Randbereich Werkstoff Werkzeuggeometrie Prozessroute Schmierung / Reibung Numerische Untersuchungen Vollfaktorielle Analyse skalierter Wellengrundkörper: Werkstoffe: 16MnCr5 18CrNiMo7-6 1Cr6 Begrenzende Faktoren: Max. Stempelkraft 2,8 GPa Max. Auswerferkraft 25 kn Parameter: Einstufig, Zweistufig 2α 1 = α 2 = 6-15 r 1 = 1 mm - 3 mm r 2 = 1 mm - 3 mm µ =,2 -,6 Konventionelle Getriebewelle (Referenz) Ø 3 r 1 = 3 r 2 = 2 1 α 1 = 5 65 α 2 = Ø 3 Ø 25,1 Ø 18,9 Absatz 1 Absatz 2 φ =,35 φ =,92 16MnCr5 (FP) (Angaben in mm) 5

6 Einfluss der Prozessroute auf den Umformgrad Zweistufig Einstufig Vergleichsumformgrad φ 2 1 Im schlanken Absatz zweifache Umformung: Starke Erhöhung des Umformgrades! 6

7 Ableitung der wesentlichen Einflussfaktoren Parameter r Konventionell (zweistufig) Großer Absatz r 2 Kleiner Absatz 7 Zweistufig optimiert Einstufig optimiert r 1 2 mm 1 mm 1 mm 2α r 2 3 mm 1 mm 1 mm 2α Vergleichsumformgrad φ im Randbereich Großer Absatz 1,5 3,7 (+ 146%) 3,7 (+ 146%) Kleiner Absatz 1,3 3,3 (+ 154%) 4,2 (+ 223%) Vergleichsumformgrad im Randbereich Einflüsse: Steigt mit zunehmender Reibung µ Steigt mit abnehmendem Radius r Steigt mit zunehmendem Schulteröffnungswinkel α Höhere Dehnung bei einstufiger Prozessroute Ø 3 Ø 25.1 Ø 18.9 (Angaben in mm) α 1 α 2 Randbereich 7

8 Experimentelle Validierung Versuchsreihe 1 Werkstoff 16MnCr5 Prozessroute Zweistufig konv. Zweistufig opt. Einstufig opt. Schmierstoff MoS 2 Wachs MoS 2 Wachs MoS 2 Wachs Abkühlen X X Versuchsreihe 2 Werkstoff 18CrNiMo7-6 Prozessroute Zweistufig konv. Zweistufig opt. Einstufig opt. Schmierstoff MoS 2 MoS 2 MoS 2 Versuchsreihe 3 Werkstoff 1Cr6 Hydraulische Ziehpresse Prozessroute Zweistufig konv. Zweistufig opt. Einstufig opt. M+W BZE Schmierstoff MoS 2 MoS 2 MoS 2 8

9 Festigkeitsverlauf Simulation 16MnCr5 12 konventionell zweistufig optimiert einstufig optimiert Fließspannung k f in MPa Anfangsfestigkeit Anfangsfestigkeit Anfangsfestigkeit Radius r in mm Kleiner Absatz Großer Absatz Radius r in mm Radius r in mm Optimierte Prozessvarianten führen zu steileren Festigkeitsanstieg über Bauteilradius Experimentelle Validierung über Härtemessungen (k f ~ HV) 9

10 Härte HV1 Härte über Radius konventionell zweistufig optimiert Radius r in mm einstufig optimiert Ausgangshärte Ausgangshärte Ausgangshärte Radius r in mm Kleiner Absatz Großer Absatz Radius r in mm einstufig optimiert 1Cr6 Ausgangshärte Radius r in mm Numerische Vorhersagen bzgl. Härtesteigerung bestätigt ABER: Kaltverfestigung kann Einsatzhärten nicht ersetzen (Grundlage.: 8 HV Oberflächenhärte) 1

11 Härte über Umformgrad 4 35 HV = f (k f (φ)) φ 3 Härte HV φ = φ =,4 φ = 1 φ, MnCr5 18CrNiMo7-6 1Cr6,2,4,6,8 1 1,2 Umformgrad φ - Mittelachse Härte ist bei φ = 1 für alle Werkstoffe nahezu gesättigt φ 1 11

12 Festigkeit Wahre Spannung σ w in MPa 12 Extrapolation φ =,4 2 φ = 1 16MnCr5,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Logarithmische Dehnung φ Wahre Spannung σ w in MPa Extrapolation φ =,4 φ = 1 1Cr6,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Logarithmische Dehnung φ Werkstoffe zeigen Verfestigungspotential, selbst für φ 1, φ Kern = ln( A /A i ) φ Rand = 3,7 φ Rand = 4,2 Zugfestigkeit steigt, trotz Sättigung der Härte Unterschied zwischen Zug- und Druckfestigkeit à Bauschingereffekt A A 1 à φ Kern =,4 A 2 à φ Kern = 1, 12

13 Festigkeit Wahre Spannung σ w in MPa φ =,4 Zug Druck φ = 1 Extrapolation 16MnCr5,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Logarithmische Dehnung φ Werkstoffe zeigen Verfestigungspotential, selbst für φ 1, Wahre Spannung σ w in MPa Extrapolation φ =,4 φ = 1 1Cr6,2,4,6,8 1 1,2 1,4 Logarithmische Dehnung φ φ Kern = ln( A /A i ) Unterschied zwischen Zug- und Druckfestigkeit à Bauschingereffekt Zugfestigkeit steigt, trotz Sättigung der Härte A A 1 à φ vor,ma =,4 A 2 à φ vor,ka = 1, 13

14 Zusammenfassung: Ergebnismatrix Zielgröße 16MnCr5 Härte Rauheit Eigenspannungen Mikrostruktur Absatz Groß Klein Groß Klein Groß Klein Groß Klein konventionell Referenz zweistufig optimiert o einstufig optimiert CrNiMo7-6 Härte Rauheit Eigenspannungen Mikrostruktur Absatz Groß Klein Groß Klein Groß Klein Groß Klein konventionell Referenz zweistufig optimiert o einstufig optimiert Cr6 Härte Rauheit Eigenspannungen Mikrostruktur Absatz Groß Klein Groß Klein Groß Klein Groß Klein konventionell Referenz zweistufig optimiert einstufig optimiert o

15 Zwischenfazit Einflüsse auf die Oberflächenfestigkeit fließgepresster Getriebewellen Werkstoff (16MnCr5, 18CrNiMo7-6, 1Cr6) Werkzeuggeometrie (Schulteröffnungswinkel, Werkzeugradien) Prozessroute (einstufig / zweistufig) Schmierstoff (Wachs / MoS 2 ) Optimierte Prozessvarianten führen zu besseren Ergebnissen bzgl. Härte Rauheit Festigkeit im Vergleich zu konventioneller Methode ABER: Prozessvarianten mit optimierter Kaltverfestigung können Wärmenachbehandlung (z.b. Einsatzhärten) nicht ersetzen! à Alternative (lokale) Wärmebehandlungsstrategien (z.b. Induktionshärten)? à Übertragung der Erkenntnisse auf Verfahren ohne Wärmebehandlung oder Bauteilen bei denen konventionell Vergütungsstähle zum Einsatz kommen 15

16 Oberflächenfestwalzen fließgepresster Wellen Ziel à Gezielte Einstellung der Prozessparameter (Werkzeug, Werkstoff, Walzkraft, Vorschub, Überrollungszahl) zur Einsparung von Gewicht oder Substitution von Wärmebehandlungen Werkzeugkonzepte/ Prozessparameter Faserverlauf Eigenschaften Eigenspannungen v v Festigkeit F F n n Mikrostruktur 16

17 Vorgehen Ermittlung wesentlicher Einflussparameter auf die Festigkeit in der Randzone (geglühter Werkstoff) Ableitung optimaler Parametersets zur Maximierung der Festigkeiten und Druckeigenspannungen Übertragung der Erkenntnisse auf vergütete Werkstoffe Vergleich Übertragung der Erkenntnisse auf fließgepresste Demonstratoren 17

18 Vergleich Werkzeugkonzepte Diamant-Glättwerkzeug Federnd gelagert Walzkraft zwischen 5-57 N Bearbeitbare Werkstoffe mit Härten bis 64 HRC Einstellung über Zustellung und Feder Schmierung über MMKS mit Schneidöl Hartmetallkugel Hydrostatisch gelagert Walzkraft zwischen -1,4kN (6 bar) Bearbeitbare Werkstoffe mit Härten bis 65 HRC Einstellung über Druckregelung Selbstschmierung der Kugel (HG6) 18

19 Einfluss der Walzkraft Diamantspitze Kugel +5% +46% 18CrNiMo7-6 1Cr6 18CrNiMo7-6 1Cr6 Vorschub:,1 mm/u Drehzahl: 385 U/min Überrollung: 1 Vorschub:,1 mm/u Drehzahl: 385 U/min; Überrollung: 1 19

20 Eigenspannungen (Diamantspitze) Walzkraft Vorschub Anzahl Überrollungen Durchweg Einbringung von hohen Druckeigenspannungen Einfluss der variierten Parameter generell gering 18CrNiMo7-6 1Cr6 2

21 Härte in HV1 Fazit (Einzelparameter-Variation) Diamantspitze ungewalzt Walzkraft in N Sättigung 45 18CrNiMo7-6 1Cr6 5 55,4,8 1,2 1,6 2 Kein Härtemaximum unterhalb der Oberfläche erkennbar Tiefe t in mm à Verfestigungspotential noch nicht ausgeschöpft! à Weitere Härtesteigerung nur durch Kombination verschiedener Parameter möglich Härte in HV1 Härte in HV t 18CrNiMo7-6 3,4,8 1,2 1,6 2 1Cr6 2,1 mm/u, 55 N, 1x,5 mm/u, 4 N, 3x,1 mm/u, 55 N, 4x 21

22 Maximal erzielte Härtesteigerungen (Mehrparameter-Variation) 4 +9% Diamantspitze 4 Kugel Härte in HV1 3 +8% CrNiMo7-6 1Cr6 ungewalzt Überrollungen Vorschub:,1 mm/u Kraft: 55 N Härte in HV % +37% 1 18CrNiMo7-6 1Cr6 ungewalzt 369 / / / 1 Walzkraft in N / Überrollungen Vorschub:,5 mm/u Kugeldurchmesser: 6 mm 22

23 Einfluss der Rundlaufabweichung (4 µm) auf die Rauheit Rauheit R z in µm 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Diamantspitze 18CrNiMo7-6 1Cr6 ungewalzt Überrollungen Vorschub: Kraft: Rundlaufabweichung kann von federgelagertem Werkzeug nicht kompensiert werden!,1 mm/u 55 N Rauheit R z in µm 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Kugel 18CrNiMo7-6 1Cr6 Hydraulische Lagerung gleicht Rundlaufabweichung aus! ungewalzt 369 / / / 1 Walzkraft in N / Überrollungen Vorschub:,5 mm/u Kugeldurchmesser: 6 mm 23

24 Einfluss auf Eigenspannungen Axiale Eigenspannung σ z in MPa Diamantspitze 18CrNiMo7-6 1Cr6-8 ungewalzt Überrollungen Axiale Eigenspannung σ z in MPa Kugel 18CrNiMo7-6 1Cr6 ungewalzt 369 / / / 1 Vorschub: Kraft:,1 mm/u 55 N Vorschub:,5 mm/u Kugeldurchmesser: 6 mm 24

25 Festwalzen vergüteter / fließgepresster Teile Festwalzen gehärteter Wellen aus 1Cr6 Proben vergütet bis 34 HV1 T Festwalzen fließgepresster Demonstratoren Getriebewellen (IUL) Kaltverfestigt HV1 Kolbenbolzen (IFU) HV Vergüten HV Pressen t Optische Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß? HV Gesamt 25

26 Festwalzen vergüteter Teile Vergütet/ ungewalzt Vergütet/ ungewalzt Vergütet/ ungewalzt Vergütet/ ungewalzt Vergütet/ ungewalzt Vergütet/ ungewalzt (vergütet) 26

27 Festwalzen fließgepresster Teile 55 N 412,5 N 275 N Getriebewelle (IUL) Kolbenbolzen (IFU) 137,5 N 27

28 Zusammenfassung Grundlagen Ideale Werkzeugauswahl abhängig von Werkstoff Probengeometrie (Zugänglichkeit) Formabweichungen (z.b. Rundlaufabweichung) Walzkraft hat den größten Einfluss auf die Randhärte à Alleinige Steigerung der Walzkraft führt nicht zum Härtemaximum Mehr-Parameter-Variationà nahezu Verdopplung der Härte (ohne negative Beeinflussung sekundärer Eigenschaften) Festwalzen gehärteter und fließgepresster Bauteile Vergütete Wellen können durch Festwalzen weiter verfestigt werden Umformvermögen fließgepresster Wellen ist ausgeschöpft à Oberflächenversagen 28

29 Danksagung 29