Vergleichende Untersuchung von Bauteileigenschaften zur beanspruchungsgerechten Auslegung präzisionsgeschmiedeter Langteile
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für Schmiedeteile sind, aufgrund ihres Venwendungszweckes z. B. in Motor und Getriebe, neben dem einfachen Zugversuch und der Härteprüfung die dynamischen Bauteileigenschaften entscheidend, da die Bauteile dynamisch hoch belastet werden. Die dynamischen Eigenschaften präzisions- (gratlos, im geschlossenen Gesenk) und konventionell geschmiedeter Bauteile wurden im Rahmen der Projektbearbeitung mittels Dauerschwingversuchen im Druckschwellbereich (Dreipunkt-Biegeschwingversuch) nach DIN 50100 ermittelt. Diese beiden Schmiedeverfahren können auch aufgrund der Ausprägung des Faserverlaufs unterschieden werden. Bei der Herstellung von Stahl reagieren Legierungs- und Begleitelemente mit dem im Stahl vorhandenen Sauerstoff und Schwefel und bilden metallische Einschlüsse. Die Einschlüsse werden beim Schmieden mitverformt und bilden eine Zeilenstruktur (Faserverlauf) längs zur Hauptumformrichtung. Die Bauteileigenschaften hängen von der Faserlage zur Beanspruchungsrichtung ab. Durch die Zeilenstruktur werden höhere Zugfestigkeiten, Dauerschwingfestigkeiten und ein höherer Verschleißwiderstand erreicht. Bei den gratlos Geschmiedeten liegt ein geschlossener Faserverlauf vor, während bei den konventionell geschmiedeten der Faserverlauf durch einen Abgratprozess unterbrochen wird. Im Rahmen der Projektbearbeitung wurden die geschmiedeten Bauteile hochfrequenten Beanspruchungen bei unterschiedlichen Spannungsausschlägen und gleicher Mittelspannung im Rahmen von Dauerschwingversuchen ausgesetzt, so dass Brüche im Zeitfestigkeitsbereich auftraten. Neben dem Faserverlauf ist die Oberflächenqualität der geschmiedeten Bauteile für die dynamischen Festigkeiten mit verantwortlich, da eine geringe Rauhtiefe zu einer langsameren Bildung von Makrorissen führt. Anhand der Dauerschwingversuche konnte nachgewiesen werden, dass gratlos geschmiedete Bauteile durch ihren geschlossenen Faserverlauf und ihrer niedrigeren Rauhtiefe weitestgehend höhere dynamische Festigkeiten aufweisen als konventionell mit Grat geschmiedete Bauteile mit einem durch den Abgratprozess unterbrochenen Faserverlauf und höheren Rauhtiefenwerten. Des Weiteren konnte anhand zweier Beispielgeometrien ermittelt werden, dass die Lage und Art der Fasern im Bauteil einen Einfluss auf die dynamische Bauteilfestigkeit haben. Bei den untersuchten Bauteilen mit einem Faserverlauf von 5,2° zur Bauteillängsachse konnten bei einer hohen dynamischen Belastung höhere Festigkeitswerte nachgewiesen werden, als bei den Bauteilen deren Fasern unter einem Winkel von 0° zur Bauteillängsachse verlaufen. Ferner konnte in den Faserverlaufsuntersuchungen festgestellt werden, dass sich die Fasern erst ab einem Umformgrad von ca. 1,5 im Schliffbild deutlich ausprägt haben. Daher haben die gratlos geschmiedeten Bauteile, bei denen der Umformgrad im Randbereich geringer als bei den konventionell geschmiedeten ist, eine niedrigere Faserdichte als die konventionell hergestellten Bauteile, bei denen der Materialüberschuss in den Grat gepresst wird. Sowohl der Werkstoff/die Legierung als auch der Umformgrad haben Einfluss auf die Ausbildung des Faserverlaufs. Um zukünftig den Faserverlauf von Schmiedeteilen schon im Vorfeld im Rahmen einer numerischen Festigkeitsbetrachtung berücksichtigen zu können, sind weitere Werkstoffe und Legierungen sowie variierende Umformgrade zu untersuchen. Damit soll das Wissen über den Einfluss und die Auswirkungen eines ausgeprägten Faserverlauf es bei Schmiedeteilen, speziell bei gratlos geschmiedeten Bauteilen, enweitert werden. Anhand der Ergebnisse soll eine breite Datenbasis für die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung des Faserverlaufs in Abhängigkeit des Umformgrades bei Schmiedeteilen mittels der Umformsimulation gelegt bzw. sukzessive erweitert werden. Mittels genauer Kenntnisse über den Einfluss des Faserverlaufes von Schmiedebauteilen können in Zukunft u. a. dynamisch hochbelastete Teile belastungsgerechter ausgelegt werden. Des Weiteren können durch die Untersuchungen ggf. Material eingespart und Ressourcen effizienter genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gratloses Endformen von Bauteilen mit ausgeprägter Längsachse. In: MM Maschinenmarkt, Vogel-Buchverlag, o. Jg. (2007), H. 3, S. 22- 24
Telkamp, K.; Stonis, M.
