Aufbau einer Piezopeeninganlage zur gezielten Randschichtverfestigung von 42CrMo4 im vergüteten Zustand
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurde in Anlehnung an den Aufbau von UIT-Verfahren eine Piezopeeninganlage zur Randschichtverfestigung aufgebaut. Aufgrund der technischen Voraussetzungen von Piezoaktoren konnten keine ähnlich hohen Frequenzen erreicht werden wie bei UIT-Prozessen. Zur Prozesskontrolle können die Anregungsspannung des Aktors, das Signal des am Aktor angebrachten DMS, die mittels Kraftmessdose aufgenommenen Kräfte und der Kontakt zwischen Aktor und Probe aufgezeichnet werden. Erste Tests zeigten, dass die Verwendung einer konstanten Vorspannung nicht sinnvoll ist, stattdessen wurde eine Regelung des Tastverhältnisses entwickelt. Diese Regelung ist universell einsetzbar und wurde auch schon für ein anderes Verfahren getestet. Eine Verwendung für alle Verfahren im Bereich des maschinellen Oberflächenhämmerns ist durchaus möglich. Die Variation der Prozessparameter hat gezeigt, dass das Verfahren in der Lage ist, je nach gewählten Parametern eine große Bandbreite an Randschichtzuständen einzustellen, die den gesamten Bereich vom Kugelstrahlen bis zum Festwalzen abdecken können. Die Oberflächenrauheit kann vor allem bei Verwendung von verhältnismäßig weichen und großen Indentern reduziert werden, kann aber auch über dem Ausgangswert liegen, wenn beispielsweise große Amplituden und Bahnabstände gewählt wurden. Die Eigenspannungstiefenverläufe, welche erzeugt werden können umfassen ebenfalls einen großen Bereich, von geringen Druckeigenspannungen mit Eindringtiefen unter 100 µm bis zu Oberflächenwerten von 1200 MPa und Eindringtiefen bis zu 1 mm. Es konnte der Einfluss von Bahnabstand, Amplitude, Vorschubgeschwindigkeit, Indenterhärte und Indenterdurchmesser auf den Randschichtzustand bestimmt und mit den vom Kugelstrahlen vorhandenen Literaturdaten verglichen werden. Die Abhängigkeiten stimmen größtenteils überein, bei dem Indenterdurchmesser gibt es jedoch Unterschiede: Aufgrund der unterschiedlichen Einflüsse auf die Aufprallenergie des Indenters beziehungsweise des Strahlmittels können die beiden Verfahren in diesem Punkt nicht ohne weiteres direkt miteinander verglichen werden. Der Einfluss der Prozessparameter wurde neben den experimentellen Untersuchungen auch simuliert. Aufgrund von Problemen mit dem Anwendungsbereich des Materialmodells hinsichtlich der auftretenden Dehnraten konnte es jedoch nicht zur Unterstützung im Vorfeld der experimentellen Parameterstudie verwendet werden. Auch ist aufgrund der Simulation des Indenters mittels Starrkörper keine Aussage zum Einfluss der Indenterhärte auf den Randschichtzustand möglich. Um den Einfluss der unterschiedlichen Bahnabstände wiederzugeben, muss das Modell noch weiter angepasst werden, aber Änderungen durch Amplitude und Frequenz können abgebildet werden. Um das Verfahren im Vergleich zu den konventionellen Verfahren Kugelstrahlen und Festwalzen einordnen zu können wurden Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt. Zusätzlich wurde noch ein weiteres Verfahren das Diamantglätten untersucht. Zunächst wurde durch Parametervariationen der beste Zustand bestimmt und für diesen mittels Wechselbiegeversuche Wöhlerkurven bestimmt. Das Ergebnis ließ sich jedoch nicht mit den, anhand der durchgeführten Randschichtcharakterisierung erhaltenen Werte erklären. Es zeigte sich, dass aufgrund von vermehrten Kantenbrüchen beim Festwalzen und Piezopeening zu einer starken Beeinflussung der Ergebnisse kam und deshalb Flachproben für diese Verfahren nicht besonders gut geeignet sind. Deshalb wurden stattdessen Rundproben und axiale Zugdruckbeanspruchung gewählt. Wegen der konstanten Last über den gesamten Probendurchschnitt ist hier jedoch der Einfluss der Randschicht geringer einzuschätzen und durch die resultierenden Zugspannungen im Probeninneren im Dauerfestigkeitsbereich sogar eine Verringerung der Wechselfestigkeit möglich. Es wurden erneut für das Kugelstrahlen und Festwalzen Parametervariationen durchgeführt und eine Wöhlerkurve erstellt. Beim Piezopeening musste zunächst eine Vorrichtung zum rotieren mit möglichst genauer Lagerung der Proben konstruiert werden. Die Lagerung ist problematisch, da wegen der Amplituden im Mikrometerbereich die Proben über den Umfang verteil sehr unterschiedlich bearbeitet werden. Ein Vergleich verschiedener Parametersätze wird zurzeit noch durchgeführt und anschließend die Wöhlerkurve noch ergänzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Residual stress depth distribution after piezo peening of quenched and tempered AISI 4140, Material Science Forum Vols. 768-769 (2014) pp 526-533
Lienert, F., Hoffmeister, J., Schulze, V.
