Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Bearbeitungskräfte beim Dichtwalzen pulvermetallurgischer Bauteile am Beispiel eines Zahnrads
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurden die lokalen, das Einsatzverhalten bestimmenden Materialeigenschaften, sowie die Walzkraft auf Grundlage einer Durchdringungsrechnung modelliert. Zunächst wurden die Einflüsse des Werkstoffs sowie der Kontaktbedingungen auf die Walzkraft und die Materialeigenschaften im Zylinderwalzversuch ermittelt. Die Faktoren der Grunddichte ρ0 der Werkstoffes Fe+0,85% Mo sowie die Prozessparameter Ersatzkrümmungsradius R und Zustellung a wurden als signifikante Einflussgrößen identifiziert. Das Fließverhalten des Werkstoffes wurde ebenfalls berücksichtigt. Die Überführung des Zahnradwalzprozesses in den Analogieprozess ermöglichte die Quantifizierung des Einflusses der identifizierten Prozessparameter des Walzprozesses auf das Dichteprofil und den Verformungsgrad. Sowohl die dichte- als auch die verformungsbedingten Werkstoffeigenschaften sind lokal berechenbar. Die Walzkraft beim Nachverdichten von pulvermetallurgisch hergestelltem Stahl wurde basierend auf einem empirisch-analytischen Modell auf Grundlage einer Durchdringungsrechnung für das Zylinderwalzen bestimmt. Die im Analogieversuch Zylinderwalzen entwickelten Methoden zur Berechnung der Walzkraft und des Dichteprofils wurden anschließend auf den Zahnradwalzprozess übertragen. Zudem wurden die prozessbedingten Kontaktbedingungen des Zahnradwalzens in das Modell übertragen. Der mehrflankige Zahnkontakt, die Überdeckung sowie die elastische Zahnverformung und die damit einhergehende Reduzierung des Walzaufmaßes wurden berücksichtigt und im Modell angepasst. Mittels der Durchdringungsrechnung wurde die Walzkraft, abgeleitet von der Berechnung im Analogieversuch, mit hoher Qualität für den Verdichtungsprozess pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder berechnet. Zudem konnte mittels des Modells das Dichteprofils lokal anhand der Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück berechnet werden. Zwischen dem berechneten und dem mittels Gefügeschliffen ermittelten Dichteprofil betrug die Abweichung für eine belastungsgerechte Auslegung pulvermetallurgisch hergestellter Zahnrädern notwendige Verdichtungstiefe ∆td,98Modell = 4,68 %. Die Abweichung für die Verdichtungstiefe td,98 zwischen der Messung und FE-Berechnung betrug ∆td,98FEM = 1,7%. Somit konnte eine qualitativ hohe Übereinstimmung zwischen dem berechneten und modellierten Dichteprofil festgestellt werden. Die Berechnung des Dichteprofils unter Berücksichtigung der Kontaktbedingungen, wie sie im Zahnradwalzprozess vorliegen, ist nun mit hoher Modellgüte möglich. Zukünftig kann der Zylinderwalzprozess als grundlegender Analogieprozess genutzt werden. Dementsprechend ist bei Bedarf zu prüfen, ob auch weitere Umformprozesse von pulvermetallurgisch hergestelltem Stahl auf Grundlage der vorgestellten Modelle beschrieben werden können. Insbesondere ist dabei zu prüfen, ob Modellvereinfachungen, die in diesem Forschungsvorhaben vorgenommen wurden, weiterhin gültig sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss der Kontaktbedingungen des Walzprozesses auf den Dichtetiefenverlauf von PM Zahnrädern In: Forschung im Ingenieurwesen, 81. Jg., 2017, Nr. 2-3, ISSN 1434-0860, S. 271–289
Frech, T.; Klocke, F.; Löpenhaus, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10010-017-0240-2) - Influence of the contact conditions in cold rolling on the density profile of powder metallurgical gears. In: München, 13.-15.09.2017. Hrsg.: CDI Wissenforum GmbH, VDI Verlag, Düsseldorf 2017, ISBN 978-3-18-092294-2, S. 1265–1276
Frech, T.; Löpenhaus, C.; Klocke, F.
- Modelling the Density Profile in Cold Rolling of PM Gears. EuroPM 2017 Congress & Exhibition. Mailand, 1.-5.10.2017. Hrsg.: Zingale, P.; Larsson, C.; European Powder Metallurgy Association (EPMA), Shrewsbury, 2017, ISBN 978-1-899072-49-1
Frech, T.; Löpenhaus, C.; Klocke, F.
- Penetration calculation based modelling of the process forces in cold rolling of powder metal gears International Gear. Conference 2018. Lyon, 27.-29.8.2018. Hrsg.: Velex, P., Chartridge Books, Oxford 2018, ISBN 978-1-911033-42-4, S. 363–373
Frech, T.; Löpenhaus, C.; Klocke, F.; Bergs, T.
- Modellierung der Walzkraft beim Dichtwalzen pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder Dissertationsschrift RWTH Aachen University. Hrsg.: Brecher, C.; Bergs, T.; Schmitt, R.; Schuh, G., Apprimus Verlag Aachen 2019, ISBN 978-3-86359-736-8
Frech, Tim
