Randschichtzustand bzw. die Dauerfestigkeit einer Nickel-Basis-Legierung

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1 Auswirkungen des elektromechanischen Festklopfens auf den Randschichtzustand bzw. die Dauerfestigkeit einer Nickel-Basis-Legierung 53. Sitzung des DGM-Fachausschusses Mechanische Oberflächenbehandlung Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen 0,8 FOS 2,0 Rastatt, Legende: FOS = Factor-of-Strength, Sicherheitsfaktor

2 Gliederung 1 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2 Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung 3 Aufbau und Verifizierung eines FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 4 Fazit und Ausblick Seite 3

3 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Ausgangssituation, Motivation und Zielstellung Ausgangssituation Die Nickel-Basis-Legierung Inconel718 (IN718) findet breite Anwendung in Strahltriebwerken Die spanende Bearbeitung ist verschleißintensiv Alternative ist das elektroerosives Abtragen (EDM) Beide Verfahren führen technologiebedingt zu negativen Oberflächeneigenschaften bezüglich der Dauerfestigkeit, wie z.b. Kerbwirkung Motivation Optimierung der Randschichteigenschaften durch Festklopfen möglich Steigerung der Lebensdauer durch Induktion von Druckeigenspannungen, Kaltverfestigung und Einglättung der Oberfläche Einsparung experimenteller Tests zur Verbesserung der Prozessauslegung hinsichtlich der Dauerfestigkeit Zielsetzung Vorhersage der Lebensdauer durch Festklopfen behandelter Bauteile mithilfe numerischer Analysen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) Erfassung von materialspezifischen Ermüdungsparametern im Wöhlerversuch Erfassung der lokalen Spannungen unter Berücksichtigung der Randzoneneigenschaften durch FEM in Abaqus Numerische Fatigue Analysis (FA) mittels fe-safe Seite 4

4 Iterative Vorgehensweise an 22 Proben aus IN718 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Vorgehensweise zum Erreichen der Zielstellung Stand der Technik Literaturrecherche Analysieren Abstrahieren Analyse EDM Festklopfen Eigenspannungen Oberflächengüte Experimentelle Versuche Modellieren F, x... Simulieren Prüfstand Real.? = Sim. Verifizieren Simulation und Validierung Fatigue Analyse Ausblick und Anwendung Analyse der Lebensdauer Druck Zug Spannungszustand Analyse und Interpretation der Ergebnisse Seite 5

5 Gliederung 1 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2 Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung 3 Aufbau und Verifizierung eines FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 4 Fazit und Ausblick Seite 6

6 Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsdurchführung: Fertigung der BW-Proben mittels EDM Herstellung von Proben mit einheitlichen Materialeigenschaften Werkstück Elektrische Entladung Arbeitsspalt Werkzeug (Draht) Dielektrikum Stranggussprofil Verfahrensprinzip EDM Vorschub Block Pore Risse RZ 2 x 11 Stück Eigenspannungszone UZ Legende: BW = Biegewechselfestigkeit, RZ = Randzone, UZ = Umwandlungszone Taillierung Grundgefüge Rohling aus rundem Stranggussprofil Heraustrennen von Blöcken mit dem späteren Profil in radialer Richtung Minimierung der stranggussspezifischen Auswirkungen auf den Werkstoff Polieren der Taillierung nach DIN Durch die hohen Temperaturen bei der Funkenentladung im Arbeitsspalt wird der Werkstoff aufgeschmolzen Das Dielektrikum und das kalte Werkstück lassen die Schmelze direkt erstarren Durch den Abkühlvorgang entstehen Zugeigenspannungen in der Randzone Zugspannungen können von Poren und Rissen begleitet sein und die Lebensdauer nachteilig beeinflussen Seite 7

7 Kraft F [kn] Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsdurchführung: Festklopfen der BW-Proben Ermittlung der maximalen Schlagkraft CAD/CAM Schnittstelle Klopfkopf Festklopfen der Proben Klopfkopf Spanneisen Klopfsteuerung DMG 1035V Hub 0,1 mm Hub 0,2 mm Hub 0,3 mm Hub 0,4 mm Hub 0,5 mm Hub 0,6 mm Hub 0,9 mm Frequenz f [Hz] Probe Kugel- Durchmesser [mm] Passstift Klopfabstand [mm] Klopfhub [mm] Montageplatte Klopffrequenz [Hz] 6 0,1 0,9 100 Geklopfter Bereich 5 mm Klopfbahn 0,1 mm Seite 8

8 Eigenspannungen σ [MPa] Dehnungen ε [-] Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsdurchführung: Messung der Eigenspannungen Präzisionszustellung Makrokamera Exemplarisch gemessene Dehnungen DMS DMS DMS Einspannung Kaltlichtquelle Exemplarische Eigenspannungen 0 Oberfläche Sigma X Sigma Y Unverformte Kontur (Vor der Bohrung) Verformte Kontur (Nach der Bohrung) ΔL Dehnungsmessstreifen Verwertbare Bereich Eigenspannungen des DMS Bohrtiefe t [mm] Seite 9

9 Eigenspannung σ [MPa] Eigenspannung σ [MPa] Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsauswertung: Verlauf u. Idealisierung der Eigenspannungen Ermittlung der Eigenspannungen nach EDM Randzonentiefe t [µm] Ermittlung der Eigenspannungen nach Festklopfen σ x (Simulation, Längs) σ y (Simulation, Quer) σ x (Gemessen, Längs) σ y (Gemessen, Quer) Randzonentiefe t [µm] σ x (Simulation, Längs) σ y (Simulation, Quer) σ x (Gemessen, Längs) σ y (Gemessen, Quer) Messung der Eigenspannungen quer und längs zur Probenlängsachse Erodierte Proben sind durch Zugeigenspannungen in der Oberfläche charakterisiert Die Eigenspannungen wurden zur Verwendung in der FE-Simulation durch diskrete Verläufe angenähert Die Zugeigenspannungen konnten durch Festklopfen mit Druckeigenspannungen bis zu 1200 MPa kompensiert werden Druckeigenspannungen längs zur Probe (quer zur Klopfrichtung) sind um bis zu 700 MPa höher Eigenspannungsverläufe werden durch Predefined Fields in der FE-Software Abaqus 6.12 implementiert Seite 10

10 Rauheitswerte [µm] Erodiert Erodiert und geklopft Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsauswertung: Einglättung der Oberflächengüte Versuchsaufbau Hommel T8000 Dreidimensionale Auswertung der Oberflächengüte 0 µm 20 µm 0 µm 20 µm 3 mm 3 mm 3 mm 3 mm Tastspitze Messfeld: 3 x 3 mm Messreihen: 101 Stück Messauflösung: 5 µm ,38-80% Erodiert Erodiert und geklopft 0,27 1,74-80% 0,35 1,14-87% 0,15-87% 7,11 S A S Q R A R Z 1,01 Seite 11

11 Lastbreite L (log) Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsdurchführung: Biegewechselfestigkeits (BW)-Versuche BW-Prüfstand Ermittlung der Dauerfestigkeit Drehmomentsensor Erodiert Erodiert & geklopft Antrieb Regelungselektronik? Nm? Nm Fokus der Arbeit Feste Einspannung K Z D Schwingspielzahl N (log) 5 x 10 6 Oszillierende Einspannung Probe Ausgangslastbreite L = 4 Nm Schwingfrequenz f = 70 Hz Stufengröße dl = 0,5 Nm Versagensfrequenz f s = 0,1 Hz Grenzschwingspielzahl N G = 5 x 10 6 Legende: K = Kurzeitfestigkeit, Z = Zeitfestigkeit, D = Dauerfestigkeit Seite 12

12 Lastbreite L [Nm] Lastbreite L [Nm] Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung Versuchsergebnisse: Auswertung des Erwartungswerts der Lastbreite L* Treppenstufenverfahren erodierte Probe Treppenstufenverfahren ero. & geklopfte Proben 4,5 4 3, Durchläufer Bruch ,5 5 4, Durchläufer Bruch Probennummer Probennummer Erodiert Erodiert und geklopft Lastbreite [Nm] Brüche (#) Brüche (#) 4 4-4,5 1-5, Lastbreite L* [Nm] 3,6 5,1 Berechnung von L* in Anlehnung an das Verfahren von Weibull, W.: Fatigue Testing and Analysis of Results, Pergamon Press, 1961 Durch Festklopfen kann der Erwartungswert der Lastbreite um das 1,42-fache von L* = 3,6 auf L* = 5,1 gesteigert werden. Seite 13

13 Gliederung 1 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2 Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung 3 Aufbau und Verifizierung eines FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 4 Fazit und Ausblick Seite 14

14 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Aufbau des FE-Modells Abstraktion der Kinematik Partitionierung und Vernetzung der Probe Elektronische Regelung Feste Einspannung Antrieb 200 µm 80 µm 40 µm Drehmomentsensor Probe Oszillierende Einspannung Berechnung der Kinematik in Abaqus/Standard mit einem impliziten Solver Kontaktbedingungen: Surface-to-Surface Simulation der ersten zwei Schwingungen zur Berechnung der Lastspannungen 40 µm 20 µm 20 µm Hexaeder-Elemente: C3D8R Reduzierte Integration Elemente = Knoten Elementgröße gemäß Partitionen Seite 15

15 Auslenkung w(x) [mm] Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Verifizierung des FE-Modells Messung des Ausschlags Feste Einspannung Probe Berechnung der Biegelinie Längskoordinate x [mm] Oszillierende Einspannung Fotografische Auswertung: Auschlagshöhe Referenzlänge = Probenbreite Biegelinie analytisch Biegelinie simuliert Fotografische Messung -0.6 Analytisch berechnete statische Biegelinie weicht max. 1% von der simulierten Biegelinie ab Die maximale Abweichung von 9% bezüglich der fotografischen Auswertung ist in dynamischen Effekten begründet, welche die statische Biegelinie nicht berücksichtigt 0,413 0,417 0,452 Das FE-Modell wird als hinreichend verifiziert angesehen, da dynamische Effekte in der Fatigue Analysis (FA)-Software berücksichtigt werden Seite 16

16 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Analyse der Lastspannungen in Probenlängsrichtung Simulation der Auslenkung Erodierte 4 Nm σ 1 (Spannung in Längsrichtung) Spannungsspitzen aus der Einspannung σ 1 [MPa] 420 Zugspannungen Druckspannungen Ero. & 5,5 Nm σ 1 (Spannung in Längsrichtung) Druckeigenspannungen Zugspannungen Druckspannungen Druckspannungen σ 1 [MPa] Beschreibung Die erodierten Proben sind durch Zugspannungen von σ 1 = 410 MPa an der Oberfläche gekennzeichnet Auf der gegenüberliegenden Seite liegen geringe Druckspannungen von σ 1 = -220 MPa Die durch Festklopfen induzierten Druckeigenspannungen überlagern die Zugspannungen an der Oberfläche und verschieben das Zugspannungsmaximum in das Bauteilinnere Auswirkungen der Mikrokerben realer Oberflächen werden durch die Druckeigenspannungen reduziert, wodurch Rissentstehnung und -wachstum minimiert werden Hiermit kann die höhere Lastbreite (S. 13) erklärt werden Seite 17

17 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Kombination des FE-Modells mit der FA-Software FA-Analyse mit fe-safe Simulation der Wechselbelastung (R = -1, σ m = 0) Berücksichtigung der Oberflächenrauheit Berücksichtigung der Eigenspannungen pro Element mithilfe der Mittelspannungskorrektur (Gerber) Auswertung des Factor-Of- Strength (FOS) bei einer Grenzschwingspielzahl von 5 x 10 6 Num. Ermittlung der Dauerfestigkeit (Treppenstufenverfahren) Mittelspannungskorrekturen Goodman Morrow σ A / σ A0 - Druck 0 Zug + Mittelspannung Mittelspannungskorrektur nach Gerber erlaubt die Berücksichtigung von Druckeigenspannungen 1 Gerber Dauerfestigkeit Versuch [Nm] Dauerfestigkeit Simulation [Nm] Abweichung [%] Erodiert 3,6 3, Erodiert und festgeklopft 5,1 5,245 +2,8 Das FA-Modell ist somit verifiziert und kann zu weiteren Analysen verwendet werden Seite 18

18 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Analyse der Bruchfläche Vergleich der Bruchflächen und der Simulation 4 Nm Erodiert und 5,5 Nm Gewaltbruch Rissfront Gewaltbruch Rissfront Duktile Bruchfläche Duktile Bruchfläche Min: 0,9375 Min: 0,93515 Interpretation Die Analyse der Bruchfläche zeigt, dass die Gewaltbruchfläche bei den erodierten Proben bei 4 Nm Lastbreite ca. 2/3 der Querschnittsfläche ausmacht Bei den festgeklopften Proben konnte die Gewaltbruchfläche trotz der 1,38- fachen Belastung auf ca. 1/2 der Querschnittsfläche reduziert werden. Dies wird durch die Kaltverfestigung und induzierten Druckeigenspannungen erklärt Die Analyse der Simulationsergebnisse ergibt sowohl für die erodierten als auch die erodiert & geklopften Proben den gleichen Rissentstehungsort 0,8 FOS 2,0 0,8 FOS 2,0 Legende: FOS = Factor-of-Strength Seite 19

19 Gliederung 1 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2 Experimentelle Versuchsdurchführung und -auswertung 3 Aufbau und Verifizierung eines FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 4 Fazit und Ausblick Seite 20

20 Fazit und Ausblick Fazit Durch Festklopfen kann die ertragbare Lastbreite einer Biegewechselfestigkeitsprobe aus IN718 zu höheren Werten verschoben werden Im Umkehrschluss ergibt sich für festgeklopfte Proben bei gleichen Lastbreiten eine längere Dauerfestigkeit Die FEM in Kombination mit einer FA-Software ist in der Lage, die Lastbreite für unverfestigte und randzonenverfestigte Lastfälle präzise vorherzusagen Ebenfalls wird der Ort der Rissentstehung bei den untersuchten Proben numerisch korrekt wiedergegeben Berücksichtigt werden kann hierbei jeweils die Ober-flächengüte wie auch der Eigenspannungszustand Der Eigenspannungszustand wird anhand der Mittelspannungskorrektur nach Gerber korrekt wiedergegeben Ausblick Aufbauend gilt es zu klären, ob das gewonnene FA-Modell des einfachen Biegewechselfestigkeitlastfalls mit hinreichender Genauigkeit auf andere Geometrien übertragen werden kann, z.b. auf eine Turbinenschaufel: 0,8 FOS 2,0 Min: 0,9366 Seite 21

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Gruppe Umformende Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen ( / ,8 FOS 2,0 * D.Trauth@wzl.rwth-aachen.de Seite 22

22 Backup Seite 23