Prozessauslegung beim Festwalzen durch Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik ω k

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1 r ω K F v t v K v K max Prozessauslegung beim Festwalzen durch Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik ω k r R ω RP v K 52. Sitzung des DGM-Fachausschusses Mechanische Oberflächenbehandlung Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Braunschweig, den

2 Gliederung 1 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 2 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 3 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 4 Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 5 Fazit und Ausblick Seite 3

3 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Motivation und Zielstellung Wissensdefizite Prozessauslegung basiert derzeit auf Erfahrungswissen und experimentellen Messungen Kaltverfestigung und Oberflächenrauheit sind nicht quantitativ, sondern nur qualitativ vorhersagbar Hohe Modellkomplexität und lange Rechendauer bei Anwendung der Finite-Elemente-Methode steht der industriellen Prozessauslegung im Wege Motivation Quantitative Vorhersage der Zielgrößen: Eigenspannungen, Kaltverfestigung, Oberflächenrauheit ermöglichen Entwicklung einer zeiteffizienten Methode zur Vorhersage der Zielgrößen Industrienahe Prozessauslegung ermöglichen ω K t pl t el r t z = t el + t pl F Z α F F x F N v K F R R Z Zielsetzung Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Vorhersage der Zielgrößen nach dem Festwalzen Interpolation beliebiger Parameterkombinationen auf Basis der Ähnlichkeitstheorie Entwicklung von FE-Modellen, die eine quantitative Vorhersage der Zielgrößen in der Randschichttiefe ermöglichen Überlegenheit durch geringe Kosten und geringere Berechnungszeiten Seite 4

4 Iterative Vorgehensweise nach den Regeln der statistischen Versuchsmethodik an 3 Werkstoffen: 42CrMo4, GGG6, IN718 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Vorgehensweise zum Erreichen der Zielstellung F v Stand der Technik Literaturrecherche Analysieren Abstrahieren Analyse Festwalzen Härte Oberflächengüte Eigenspannungen Experimentelle Versuche Modellieren F, x... Simulieren Druck Zug Auswerten Real.? = Sim. Verifizieren Simulation und Validierung 1s Datenbank Zeiteffiziente Vorhersage der Eigenspannungen π = L 1 M 2 T 1 Ähnlichkeitsmechanik A B A B Signifikanzanalyse Analyse und Interpretation der Ergebnisse Seite 5

6 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsdurchführung: Parameter der Festwalzversuche Versuchsaufbau Festwalzwerkzeug Dreibackenfutter Werkstück Versuchsparameter Festwalzwerkzeuge der Fa. ECOROLL AG Hydrostatisch: HG6 und HG13 Mechanisch: EF45 Pumpenaggregat der Fa. ECOROLL AG HGP 4 Versuchswerkstoffe Pinole 42CrMo4 (Vergütungsstahl) GGG6 (Gusseisen mit Kugelgraphit) IN718 (Nickelbasislegierung) 42CrMo4 IN718 GGG6 Versuchswerkstück Festwalzen der Mantelfläche des Außenradius des Innenradius der Bohrung (nicht sichtbar) Innenradius Außenradius Mantelfläche Seite 7

7 Eigenspannungen σ [MPa] Dehnungen ε [-] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsdurchführung: Messung der Eigenspannungen Präzisionszustellung Makrokamera Exemplarisch gemessene Dehnungen DMS 6 DMS 45 5 DMS Einspannung Kaltlichtquelle Exemplarische richtungsabhängige Spannungen Sigma X Sigma Y Unverformte Kontur (Vor der Bohrung) Verformte Kontur (Nach der Bohrung) ΔL Dehnungsmessstreifen Bohrtiefe t [mm] Seite 8

8 Mikrohärte HV.1 [N/mm²] 3 µm Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsdurchführung: Messung der Mikro- und Makrohärte Mikrohärte Makrohärte Randzone Randzone Messpunkte p=4bar, Ø Kugel = HG6, Ü=,8 Messuhr gedreht festgewalzt Grundgefüge Intruder 2 µm 1 µm 2 µm P = 4 bar, Ø K = HG6, Ü=, H 1 = 55 HRC H = 48 HRC Auflagetisch Randzonentiefe t [µm] Härte vor dem Festwalzen H = 48 HRC Härte nach dem Festwalzen H 1 = 55 HRC Am Beispielwerkstoff (42CrMo4) Seite 9

9 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsergebnisse: Eigenspannungen für 42CrMo4 Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen Proben Eigenspannung σ x [MPa] Eigenspannung σ y [MPa] Walzdruck p [bar] Werkzeug D [mm] Überdeckung Ü [%] -B-42CrMo ,6-511,2 4 HG13 8 -B-42CrMo ,4-523,3 4 HG13 3 -B-42CrMo ,3-438,3 4 HG6 8 -B-42CrMo ,8-463,9 4 HG6 3 -B-42CrMo ,6-515,8 1 HG13 8 -B-42CrMo ,3-448,2 1 HG13 3 -B-42CrMo ,5-486,1 1 HG6 3 -B-42CrMo ,5-416,6 1 HG6 8 Absteigende Sortierung der maximalen Druckeigenspannungen für 42CrMo4 offenbart bereits ein Muster in den Prozesseingangsgrößen: Druck > Werkzeug > Überdeckung Versuch -B-42CrMo4-4 stellt allerdings einen Ausreißer dar (blau) Seite 1

10 Eigenspannungen σ [MPa] Prozessparameter Eigenspannungen σ [MPa] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Identifikation der Hauptparameter: Eigenspannungen für 42CrMo4 42CrMo4 Walzdruck Werkzeugdurchmesser A B AC AD bar -12 HG6 HG13 mm AB Überdeckung Walzgeschwindigkeit D C Haupteffekte Effekt Signifikanzlinie Hauptwechseleffekte A Walzdruck AC Walzdruck mit Überdeckung B Werkzeugdurchmesser AB Walzdruck mit Werkzeugdurchmesser C Überdeckung AD Walzdruck mit Walzgeschwindigkeit D Walzgeschwindigkeit -12,3,8 % mm/s Seite 11

11 Prozessparameter Eigenspannungen σ [MPa] Eigenspannungen σ [MPa] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Werkstoffübergreifende Zusammenfassung der Hauptparameter auf die Eigenspannungen A 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffektdiagramm -8-1 Walzdruck -8-1 Werkzeugdurchmesser B C bar -14 HG6 IN718 HG13 mm D -8 Überdeckung -8 Walzgeschwindigkeit AB -1-1 AC AD -14,3,8 % mm/s Effekt 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffekte 42CrMo4 GGG6 IN718 A B Walzdruck Werkzeugdurchmesser C D Überdeckung Walzgeschwindigkeit Seite 12

12 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Zielkonfliktdiagramm für 42CrMo4 Oberflächenrauheit D (Ü ) (V ) (P ) Festwalzen P D (V ) Ü P (D ) (Ü ) (V ) Eigenspannungen Kaltverfestigung Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung Seite 13

13 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Zielkonfliktdiagramm für GGG6 Oberflächenrauheit P (D ) (V ) (Ü ) Festwalzen P D (Ü ) (V) P (D ) (Ü ) (V) Eigenspannungen Kaltverfestigung Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung Seite 14

14 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Zielkonfliktdiagramm für IN718 Oberflächenrauheit D (P ) (Ü ) (V ) Festwalzen P Ü (V ) (D) P (D ) (V ) (Ü) Eigenspannungen Kaltverfestigung Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung Seite 15

16 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Modellierung der Werkstoffmaterialen Bauschinger-Versuch bei 42CrMo4 Modellierung Modellierung des nichtlinearen isotrop/kinematischen Materialverhaltens mit Hilfe der konstitutiven Materialbeschreibung nach Lemaitre-Chaboche Bauschinger-Versuch bei GGG6 12 Spannung [MPa] 𝑝𝑙 𝛼 = 𝐶𝜀 𝑝𝑙 -8-2% -1% % 1% Dehnung [%] 2% 3% -12-3% -2% (𝜎 𝛼) 𝛾𝛼𝜀 𝑝𝑙 𝜎 -1% % 1% 2% Parameterfitting durch Dehnung [%] Simu- 8 F 4 2. LW 1. LW -4-8 F FE-Modell F -1% % 1% Dehnung [%] 2% 3% Zug Druck 4 Zeit t [s] Simulation GGG6 [2%] 3% % 2 Experiment lation der ersten beiden Lastwechsel (LW) über die Zeit Bauschinger-Versuch bei GGG6 12 Spannung [MPa] Kinematischer Anteil: % 4-8 ) Spannung σ [MPa] Spannung [MPa] 𝜎 = 𝜎 + 𝑄 (1 𝑒 𝑏𝜀 Isotropes Verfestigungsmodell: CrMo4 [2%] % Ergebnisse und Verifizierung Spannung σ [MPa] Experiment Zug-Druck-Versuche am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bei 2%, 4% und 6% Dehnung Zug 2 4 Zeit t [s] Seite 17

17 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Modellierung der Prozesskinematik beim rotationssym. Festwalzen Exemplarische Anwendung Vereinfachtes Festwalzwerkzeug z y x Prozesskinematik r F v K max ω K v K v t Kontaktbeschreibung m F P Werkzeug A K z, z, z ω k v K F r R m z, z, z Werkstück ω RP c b Seite 18

18 Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Modellierung ausgewählter Geometrieelemente C B A Abstraktion Abstraktion Geometrievariation A P max B R 2 < R 2 > R 2 = R 1 R 2 > R 1 R 2 = R 2 > R 1 R 2 = R 1 F F F C Mises [MPa] +12 R 1 R 1 +6 F R 2 F R 2 = F + Seite 19

19 Eigenspannungen σ längs [MPa] Eigenspannungen σ quer [MPa] Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse Auswertung der simulativen Eigenspannungen Eigenspannungen in Umfangsrichtung (x) Eigenspannungen längs: S11(P) Eigenspannungen in Achsrichtung (y) Eigenspannungen quer: S33(P) Randtiefe t [mm] Randtiefe t [mm] Walzdruck P=1 bar P=175 P=25 P=325 P=4 Walzdruck P=1 bar P=175 P=25 P=325 P=4 Seite 2

21 Eigenspannung σ [MPa] s min /E [ - ] s min [MPa] Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Herleitung von dimensionslosen Kennzahlen Dimensionslose Kennzahlen Nach DoE signifikante Kennzahlen (siehe Punkt 2 der Gliederung) Autokorrelationsfunktion (exemplarisch für 42CrMo4).E+ Walzdruck [N/m²] Π 1 = f D Π 3 = d D Π 8 = p E Weniger signifikante Kennzahlen -1.16E E Π 2 = v E ρ Π 4 = Q E Π 5 = C E -3.48E E-3-96 Π 6 = R p,2 E Π 7 = HV E Π 9= Rz D -5.8E E E E E E+5-12 σ max σ σ min z min z z max Randzonentiefe t [µm] Druckkennzahl π 8 [ - ] Eigenspannung in Umfangsrichtung (x) σ y E = π ,649π 8,35 Eigenspannung in Achsrichtung (y) σ x E = 19954π ,999π 8,42 Seite 22

22 Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Integration des Produktansatzes in eine Datenbank Excel-Datenbank zur zeiteffizienten Vorhersage Seite 23

23 Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Vergleich der Ähnlichkeitsmechanik mit dem Simulationsmodell Auszug des Vorhersagediagramms der Excel-Datenbank Vorhergesagte Stützstellen mit der Ähnlichkeitsmechanik Simulierte Tiefenverläufe (Linienzüge) Seite 24

24 Eigenspannung σ [MPa] Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Validierung der Ähnlichkeitsmechanik am Beispiel der Eigenspannungen Modell σ E σ E σ min E σ min E σ max E HG3 P25 V11 1% -2% -5% -1% -41% -53% -5% -11% % / -3% -21% HG6 P1 V11 5% 1% 1% 12% -9% -34% -2% -25% -7% / 47% -3% HG6 P175 V11-1% -12% -8% -1% 43% 26% -2% 45% 9% -27% -29% 58% HG6 P25 V3-9% -3% -6% -2% -58% -56% -6% -1% 3% 6% -3% -22% HG6 P25 V7-8% -2% -5% -1% -64% -56% -4% -11% 2% 6% -3% -22% HG6 P25 V11-1% -2% -6% -1% -46% -58% -5% -1% % 7% -3% -22% HG6 P25 V15-1% -3% -6% -2% -67% -58% -2% -1% % 6% -3% -22% HG6 P25 V2-11% -2% -6% -1% -57% -6% 3% -1% -92% 6% -3% -22% HG6 P325 V11 19% 16% 25% 17% -151% -89% 1% -1% -13% 12% 38% -22% HG6 P4 V11-3% -3% -4% -2% -13% -3% / 6% 2% -1% -1% -22% HG13 P25 V11-9% -2% -6% -1% -34% -23% 49% 44% % 7% -3% -22% σ max E z d z d z min d z min d z max d z max d σ max σ σ min z min z z max Randzonentiefe t [µm] Abweichung der Ähnlichkeitsmechanik von den Simulationsergebnissen Seite 25

25 Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Analyse der Übertragbarkeit der Prozesszielgrößen mit Hilfe der Kennzahlen Untersuchte Fragestellungen Können die Ergebnisse eines Festwalzprozesses von einem Werkstoff A auf einen anderen Werkstoff B übertragen werden? 42CrMo4 GGG6 Ergebnisse Können die Ergebnisse eines Festwalzprozesses auf ein gleiches Geometrieelement anderer Größendimension übertragen werden? Ergebnisse Können die Ergebnisse zwischen zwei verschiedenen Geometrieformen übertragen werden? Ergebnisse Seite 26

26 Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik Analyse der Übertragbarkeit der Prozesszielgrößen mit Hilfe der Kennzahlen Analyse des Werkstoffs Die Ergebnisse sind übertragbar, wenn die relevanten Kennzahlen für die Beschreibung des Werkstoffs konstant gehalten werden: Analyse der Dimension Die Ergebnisse sind übertragbar, wenn die relevanten Kennzahlen für die Beschreibung der Dimension konstant gehalten werden: Analyse der Geometrie Die Ergebnisse sind übertragbar, wenn die relevante Kennzahl für die Beschreibung des Ersatzkrümmungsradius konstant gehalten wird: Π 6 = R p,2 E Π 8 = p E Π 1 = f D Π 3 = d D Π 3 = d D Hertz k d Schlussfolgerung Zielkonflikt: Π 6 kann nicht konstant gehalten werden Festwalzergebnisse können zwischen zwei verschiedenen Werkstoffen nur übertragen werden, wenn ihre Werkstoffkennwerte, vor allem E-Modul und R p,2, gleich sind. partielle Ähnlichkeit Schlussfolgerung Festwalzergebnisse können zwischen zwei Geometrieelementen unterschiedlicher Dimension vollständig übertragen werden Hierzu muss bei Variation der Dimension lediglich der Kugeldurchmesser und der Walzvorschub verändert werden. Schlussfolgerung Festwalzergebnisse können zwischen zwei unterschiedlichen Geometrieformen in Theorie vollständig übertragen werden, siehe Hertz: P Hertz = 3 6 π³ E 1 ν² 2 F 1 d 1 ± 1 d P Hertz = x 1 F k 2 Seite 27

28 Lastbreite L (log) Fazit und Ausblick Fazit Die FEM ist grundsätzlich in der Lage, den Festwalzprozess quantitativ abzubilden Anhand der simulativ ermittelten Datenbasis für die betrachteten Versuchskörper konnte eine Korrelation zwischen Prozesseingangs- und Prozessausgangsgrößen mit Hilfe der Methoden der Ähnlichkeitsmechanik für die untersuchten Werkstoffe 42CrMo4, GGG6 und IN718 abgeleitet werden Hierdurch sind zeiteffiziente Aussagen über die Eigenschaften Eigenspannungen und Umformgrad in der Randschicht möglich Die Validität der Vorhersagekenngrößen ist nur bei Variation der signifikanten Parameter Druck und Kugeldurchmesser in den untersuchten Prozessgrenzen gegeben (1 < Druck [bar] < 4) (3 < Kugeldurchmesser [mm] < 13) Ausblick Aktuelle Forschungsvorhaben haben zum Inhalt mit Hilfe der Methoden der Ähnlichkeitsmechanik eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Randschicht (Eigenspannungen, Kaltverfestigung und Oberflächengüte) und der Dauerfestigkeit zu entwickeln Hierdurch könnten aufwendige experimentelle und numerische Dauerschwingversuche eingespart werden K Z D Schwingspielzahl N (log) K: Kurzzeitfestigkeit Z: Zeitfestigkeit D: Dauerfestigkeit σ Mises +4 Randschicht 1 Randschicht 2 Seite 29

29 F v K max ω K r ω k r R ω RP v K v t v K Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Gruppe Umformende Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen ( / * D.Trauth@wzl.rwth-aachen.de Seite 3

30 Backup Seite 31

31 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsergebnisse: Kaltverfestigung an 42CrMo4 Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen Proben Härte H [HRC] Härtezuwachs ΔH [HRC] Walzdruck p [bar] Werkzeug D [mm] Überdeckung Ü [%] -B-42CrMo HG6 3 -B-42CrMo HG6 8 -B-42CrMo HG13 8 -B-42CrMo HG6 3 -B-42CrMo HG13 3 -B-42CrMo HG6 8 -B-42CrMo HG13 3 -B-42CrMo HG13 8 Seite 32

32 Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Versuchsergebnisse: Oberflächenrauheit bei 42CrMo4 Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen Proben R a [µm] R Z [µm] Walzdruck p [bar] Werkzeug D [mm] Überdeckung Ü [%] -B-42CrMo HG13 8 -B-42CrMo HG13 3 -B-42CrMo HG13 8 -B-42CrMo HG13 3 -B-42CrMo HG6 8 -B-42CrMo HG6 8 -B-42CrMo HG6 3 -B-42CrMo HG6 3 Seite 33

33 Prozessparameter Eigenspannungen σ [MPa] Eigenspannungen σ [MPa] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Identifikation der Hauptparameter der Eigenspannungen (längs) A 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffektdiagramm -1-3 Walzdruck -1-3 Werkzeugdurchmesser B C bar -9 HG6 HG13 mm D -1 Überdeckung -1 Walzgeschwindigkeit AB -3-3 AC AD CrMo4,3,8 % IN mm/s Effekt 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffekte 42CrMo4 GGG6 IN718 A B Walzdruck Werkzeugdurchmesser C D Überdeckung Walzgeschwindigkeit Seite 34

34 Prozessparameter Kaltverfestigung PEEQ [-] Kaltverfestigung PEEQ [-] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Identifikation der Hauptparameter der Kaltverfestigung A 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffektdiagramm 6 5 Walzdruck 6 5 Werkzeugdurchmesser B C bar 2 HG6 HG13 mm D AB Überdeckung 42CrMo4 IN Walzgeschwindigkeit 42CrMo4 IN718 AC 3 3 GGG6 AD 2,3,8 % mm/s Effekt 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffekte 42CrMo4 GGG6 IN718 A B Walzdruck Werkzeugdurchmesser C D Überdeckung Walzgeschwindigkeit Seite 35

35 Rauheit Rz [µm] Prozessparameter Rauhheit Rz [µm] Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter Identifikation der Hauptparameter der Oberflächenrauheit Haupteffektdiagramm Walzdruck Werkzeugdurchmesser A 42CrMo4 GGG6 IN B 1 1 C 1 4 bar HG6 HG13 mm D 2 Überdeckung 2 Walzgeschwindigkeit AB 1 1 AC IN718 IN718 AD,3,8 % 7 15 mm/s Effekt 42CrMo4 GGG6 IN718 Haupteffekte 42CrMo4 GGG6 IN718 A B Walzdruck Werkzeugdurchmesser C D Überdeckung Walzgeschwindigkeit Seite 36