Kornfeinung in der Randzone von metallischen Werkstoffen durch maschinelles Oberflächenhämmern (FinePeening)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als Ergebnis dieses Forschungsprojektes liegen ein makroskopisches, phänomenologisches Beschreibungsmodell und ein numerisches FE-Prozessmodell des maschinellen Oberflächenhämmerns (MOH) vor, mit denen die Randzonenmorphologie maschinell oberflächengehämmerter X5CrNi18-10 sowie 42CrMo4 Werkstoffen beschrieben werden kann. Besonders der erstmalig betrachtete Einfluss des MOH auf die Korngröße sowie Versetzungsdichte beim maschinellen Oberflächenhämmern sowie die Implementierung eines versetzungsdichten-basierten Materialmodells in das numerische FE-Prozessmodell stellen einen erheblichen wissenschaftlichen Mehrwert für die Fertigungstechnologie des MOH dar. Die Wechselwirkungen zwischen den Prozessparametern des MOH, der gehämmerten Randzone zweier technisch wichtiger Werkstoffe, sowie dem resultierenden Verschleiß- und Ermüdungseigenschaften sind bekannt. Es können Empfehlungen bezüglich der Bearbeitung und Einstellung definierter Randzonenzustände von 42CrMo4 und X5CrNi18-10 Werkstoffen durch maschinelles Oberflächenhämmern gegeben werden. In einem ersten Schritt wurde ein am WZL vorhandenes elektromagnetisches Hämmersystem V.2002 der Fa. accurapuls mit einem eigens entwickelten Kraftmessstößel sowie einer integrierten faseroptischen Abstandsmessung aufgerüstet. Es wurde gezeigt, dass in Abhängigkeit unterschiedlicher Prozesseinstellungen signifikante Unterschiede in der Prozesskinematik, besonders im Verlauf des Stößelhubs auftreten. Besonders im Hinblick auf eine Implementierung der realen Hämmerkinematik in folgende FE-Simulation sind die aufgezeichneten Kräfte und Hübe von besonderem Interesse. In einem zweiten Schritt wurden mithilfe des um die Sensorik erweiterten Hämmersystems experimentelle Versuche zum MOH von X5CrNi18-10 sowie 42CrMo4 durchgeführt. Auf Grundlage der statistischen Versuchsplanung wurden Haupteffekte und Wechselwirkungen des MOH mit der resultierenden Randzonenmorphologie der beiden Werkstoffe identifiziert. Dabei wurde festgestellt, dass der Stößelhub, der Stößelkugeldurchmesser sowie der Eindruckabstand einen erheblichen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis haben. Mittels MOH konnten in beiden Werkstoffen hohe Druckeigenspannungsbeträge eingebracht, die Oberflächenrauheit teils deutlich reduziert und eine Kornfeinung in den oberflächennahen Randzonen eingestellt werden. Eine entsprechende Verfestigung der Werkstoffe bestätigte den Einfluss des MOH auf die Kornfeinung. In einem dritten Schritt wurde die Kontaktmechanik und Prozesskinematik des MOH mithilfe eines FE-Modells abgebildet. Darüber hinaus wurde das Prozessmodell mit einem materialphysikalischen Modellierungsansatz gekoppelt, um die Subkorngröße und Versetzungsdichte als interne Variablen betrachten zu können. Neben der Analyse von Spannungs- und Dehnungsfeldern konnten mithilfe des validierten FE-Modells wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der zeitlich und örtlich aufgelösten Versetzungsdichtenentwicklung generiert werden. Es konnte ein Anstieg der Versetzungsdichte in den oberflächennahen Randzonen bis ca. 200 µm erzielt werden. In einem vierten Schritt wurden Reibverschleiß- und Ermüdungsversuche auf einem Stift-auf-Zylinder Tribometer bzw. Umlaufbiegeprüfstand durchgeführt. Die gehämmerten Proben zeigten in beiden Belastungsfällen teils verbesserte Eigenschaften im Vergleich zum ungehämmerten Zustand. Der Reibverschleiß konnte durch Einsatz einer in der Randzone stark korngefeinten Probe im Vergleich zum gedrehten Ausgangszustand reduziert werden. Weiterhin zeigten die gehämmerten Proben eine erhöhte Ermüdungsfestigkeit.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyse der Randzoneneigenschaften eines X3CrNiMo13-4-Edelstahls in Abhängigkeit der Prozesskraft beim maschinellen Oberflächenhämmern. In: 58. Tribologie-Fachtagung; Bd. I, Hrsg.: GfT e.V., Reibung, Schmierung und Verschleiß, Gesellschaft für Tribologie e.V., Aachen (2017), S. 32/1-32/10, ISBN 978-3-9817451-2-2
Mannens, R.; Trauth, D.; Feuerhack, A.; Hild, R.; Klocke, F.
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Analyse der Spindellagerbelastung hinsichtlich des False-Brinelling-Effektes beim maschinelles Oberflächenhämmern. In: Tribologie und Schmierungstechnik, 64. Jahrgang (05/2017), S. 19-24
Mannens, R.; Trauth, D.; Falker, J.; Mattfeld, P.; Brecher, C.; Klocke, F.
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Analysis of surface defects on industrial casting tools for automotive applications after machine hammer peening. In: Procedia Engineering 207 (2017), S.1141-1146, ISSN 1877-7058
Mannens, R.; Delforno, A.; Trauth, D.; Feuerhack, A.; Kittel, M.; Klocke, F.
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Analyse der Randzoneneigenschaften eines 100Cr6 Wälzlagerrings in Abhängigkeit der Prozesskraft beim maschinellen Oberflächenhämmern. In: 59. Tribologie-Fachtagung; Bd. I, Hrsg.: GfT e.V., Reibung, Schmierung und Verschleiß, Gesellschaft für Tribologie e.V., Aachen (2018), S. 28/1-28/11, ISBN 978-3-9817451-3-9
Mannens, R.; Hild, R.; Trauth, D.; Mattfeld, P.; Bergs, T.
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Analysis of spindle bearing load with regard to the false brinelling effect caused by machine hammer peening. In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 95 (2018), S. 3969-3976, ISSN 0268-3768
Mannens, R.; Trauth, D.; Falker, J.; Brecher, C.; Klocke, F.
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Influence of Impact Force, Impact Angle, and Stroke Length in Machine Hammer Peening on the Surface Integrity of the Stainless Steel X3CrNiMo13-4. In: Procedia CIRP 71 (2018), S.166-171, ISSN 2212-8271
Mannens, R.; Trauth, D.; Mattfeld, P.; Klocke, F.
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Phase-Field Modelling of the Solidified Nodular Cast-Iron Alloy EN-JS2070 Microstructure for Deep Drawing Tool Application Treated by Machine Hammer Peening. In: Advances in Production Research – Proceedings of the 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Aachen, November 19-20 (2018), Hrsg. Schmitt. R.; Schuh, G.; Springer Nature Cham 2018, S. 333-342, ISBN 978-3-030-03451-1
Baer, O.; Mannens, R.; Trauth, D.; Kittel, M.; Klocke, F.; Bergs, T.
