Charakterisierung und Nutzung prozessinduzierter Eigenspannungen bei der Herstellung von Funktionsflächen durch Near-Net-Shape-Blanking Verfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374524261

Near-Net-Shape-Blanking Verfahren (NNSBV) sind Scherschneidverfahren zum endkonturnahen Ausschneiden. Die Funktionsflächenherstellung erfolgt hierbei über plastische Deformation, über welche der Eigenspannungszustand des späteren Bauteils und somit auch dessen Schwingfestigkeit eingestellt werden kann. Die Verwendung von Grundwerkstoffen mit höherer Festigkeit in Kombination mit prozessinduzierten Druckeigenspannungen weist hier erhebliches Potenzial für eine angestrebte Tragfähigkeitssteigerung hinsichtlich der Ermüdungsschäden Grübchen und Zahnfußbruch auf. Schergeschnittene Verzahnungen können eine kosten- und zeitintensive Wärmebehandlung bei der Herstellung leistungsübertragender Verzahnungen durch lokal angepasste, tragfähigkeitssteigernde Eigenspannungen ersetzen. Zudem können schergeschnittene Verzahnungen in einem Prozessschritt wirtschaftlich hergestellt werden.Dieses Potenzial soll im beantragten zweijährigen Folgeprojekt an einer schergeschnittenen Ritzel/Rad-Paarung aus dem bisher verwendeten Referenzwerkstoff und einem höherfesten Stahl untersucht werden. Grundlegende Zusammenhänge werden dabei mit den aufgebauten Modellen systematisch untersucht und durch Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeit in Pulsatorversuchen und der Grübchentragfähigkeit in Laufversuchen validiert.Die Eigenspannungszustände der unterschiedlichen Zahnradvarianten werden sowohl vor als auch nach den Tragfähigkeitsuntersuchungen gemessen und erlauben nicht nur Prozessverbesserungen zu überprüfen, sondern auch die Stabilität der eingebrachten Eigenspannungen zu verifizieren sowie die Vorhersagbarkeit der Eigenschaften mit dem bidirektionale Modell sicherzustellen. Durch die Verwendung eines höherfesten Stahlwerkstoffs soll gezeigt werden, dass weitere Steigerungen der Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit durch prozessinduzierte Eigenspannungen erzielt werden können. Hierfür werden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt. Außerdem wird die Vorhersage der Grübchen- und Zahnfußdauerfestigkeit für den Referenzwerkstoff und den höherfesten Werkstoff bewertet und ggf. verbessert. Durch Integration der Ergebnisse in das bidirektionale Modell aus der zweiten Förderperiode wird es somit möglich, schergeschnittene Zahnräder verschiedener Werkstoffe und Geometrien mit erhöhter Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit durch Nutzung der positiven Wirkung scherschneidprozessinduzierter Eigenspannungen auszulegen und herzustellen.Kern des Vorhabens ist somit die Gestaltung, Auslegung und Optimierung der NNSB-Prozesse hinsichtlich verbesserter Eigenspannungen für eine höhere Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit, die Sicherstellung der Vorhersagbarkeit der Eigenschaftsverbesserungen durch Nutzung der Eigenspannungen sowie der Nachweis der Eigenspannungsstabilität im Laufversuch unter realen Einsatzbedingungen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2013: Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Roland Golle; Dr.-Ing. Thomas Tobie