Charakterisierung und Nutzung prozessinduzierter Eigenspannungen bei der Herstellung von Funktionsflächen durch Near-Net-Shape-Blanking Verfahren
Forschungsthema
| Kurztitel | Feingeschnittenes Zahnrad III |
| Projektbeginn | Q4/2022 |
| Förderung | DFG-Nr. 374524261, SPP 2013, STA 1198/13-3 Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG |
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| Projektpartner | Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, utg, TU München |
| Kontakt | Dr.-Ing. T. Tobie |
Projektbeschreibung
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 hinsichtlich der 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 Vorhersagbarkeit der Eigenschaften und Eigenschaftsverbesserungen 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, 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.
Literatur
Residual stresses in parts manufactured by near-net-shape-blanking. J. Stahl, D. Müller, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. Residual Stresses in Production Technology, Production Engineering, Springer, Volume 3, No.2, 2019
The Influence of Residual Stresses Induced by Near-Net-Shape Blanking Processes on the Fatigue Behavior under Bending Loads. J. Stahl, D. Müller, I. Pätzold, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 651, 38th International Deep Drawing Research Group Annual Conference, Netherlands, 2019
Calculation of sub-surface-initiated fatigue fractures in gears. D. Müller, T. Tobie and K. Stahl. XIV International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and Applications (COMPLAS2019), Spain, 2019
Influence of Shear Cutting Process Parameters on the Residual Stress State and the Fatigue Strength of Gears. D. Müller, J. Stahl, I. Pätzold, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. The 13th International Conference on the Technology of Plasticity, USA, 2021
Shear Cutting Induced Residual Stresses in Involute Gears and Resulting Tooth Root Bending Strength of a Fineblanked Gear. D. Müller, J. Stahl, A. Nürnberger, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. Archive of Applied Mechanics, 2021
On the Formation of Residual Stresses in Blanks Manufactured by Near-Net-Shape-Blanking Processes. J. Stahl, D. Müller, A. Nürnberger, T. Gress, P. Lechner, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021
Einfluss von prozessinduzierten Eigenspannungen auf die Zahnfußtragfähigkeit schergeschnittener Zahnräder. D. Müller, J. Stahl, A. Nürnberger, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. Forschung im Ingenieurwesen, 2021
The frictional force between slug and die in shear cutting after material separation. J. Stahl, D. Müller, I. van den Bosch, L. Kindsmüller, R. Golle, T. Tobie, W. Volk and K. Stahl. Key Engineering Materials, 2021
Residual stresses induced by shear cutting - Targeted use for manufacturing functional surfaces with an improved fatigue behavior. J. Stahl, Dissertation, TUM, 2021
Comparative study of v‑ring indenter configurations in fineblanking in order to derive tool design guidelines. A. Nürnberger, D. Müller, L. Martinitz, C. Hartmann, T. Tobie, K. Stahl and W. Volk; International Journal of Advanced Manufacturing Technology) 123 (2022) (doi.org/10.1007/s00170-022-10345-6)