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Prozessauslegung beim Festwalzen
durch Vorhersage des
Randschichtzustandes mit Hilfe der
Ähnlichkeitsmechanik
52. Sitzung des DGM-Fachausschusses „Mechanische
Oberflächenbehandlung“
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Braunschweig, den 17.10.2012
RP
ωK
ω
𝑣𝑡
𝑅
r
𝑣Kmax
𝑣𝐾
ωk
r
𝑣𝐾
𝐹
Seite 3 © WZL/Fraunhofer IPT
Fazit und Ausblick 5
Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 4
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 3
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 2
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 1
Gliederung
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𝜔𝐾
𝑟 𝑣𝐾
𝐹
𝐹𝑥 𝐹𝑅
𝐹𝑁
𝛼
𝑡𝑧 = 𝑡𝑒𝑙 + 𝑡𝑝𝑙
𝑡𝑝𝑙
𝑡𝑒𝑙
𝐹𝑍 ∅𝑅𝑍
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise
Motivation und Zielstellung
Prozessauslegung basiert derzeit auf
Erfahrungswissen und experimentellen Messungen
Kaltverfestigung und Oberflächenrauheit sind nicht
quantitativ, sondern nur qualitativ vorhersagbar
Hohe Modellkomplexität und lange Rechendauer
bei Anwendung der Finite-Elemente-Methode steht
der industriellen Prozessauslegung im Wege
Wissensdefizite Motivation
Quantitative Vorhersage der Zielgrößen:
Eigenspannungen, Kaltverfestigung,
Oberflächenrauheit ermöglichen
Entwicklung einer zeiteffizienten Methode zur
Vorhersage der Zielgrößen
Industrienahe Prozessauslegung ermöglichen
Zielsetzung
Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur
Vorhersage der Zielgrößen nach dem Festwalzen
Interpolation beliebiger Parameterkombinationen auf
Basis der Ähnlichkeitstheorie
Entwicklung von FE-Modellen, die eine quantitative
Vorhersage der Zielgrößen in der Randschichttiefe
ermöglichen
Überlegenheit durch geringe Kosten und geringere
Berechnungszeiten
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Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise
Vorgehensweise zum Erreichen der Zielstellung
Analyse
Itera
tive
Vo
rge
hen
sw
eis
e n
ac
h d
en
Reg
eln
de
r s
tati
sti
sc
hen
Ve
rsu
ch
sm
eth
od
ik a
n 3
We
rks
toff
en
: 4
2C
rMo
4, G
GG
60
, IN
71
8
Experimentelle
Versuche
Simulation und
Validierung
Analyse und
Interpretation
der Ergebnisse
Literatur-
recherche Stand der
Technik
Zeiteffiziente
Vorhersage der
Eigenspannungen
Modellieren
Härte
Abstrahieren
Verifizieren
= ?
Real. Sim.
Simulieren
F, x...
Ähnlichkeits-
mechanik
Oberflächen-
güte Eigen-
spannungen Festwalzen
Auswerten
Druck Zug
Signifikanz-
analyse
A
B
A
B
𝜋 = 𝐿1𝑀−2𝑇1
Datenbank
1s
Analysieren
F v
Seite 6 © WZL/Fraunhofer IPT
Fazit und Ausblick 5
Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 4
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 3
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 2
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 1
Gliederung
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Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsdurchführung: Parameter der Festwalzversuche
Versuchsaufbau Versuchsparameter
Festwalzwerkzeuge der Fa. ECOROLL AG
– Hydrostatisch: HG6 und HG13
– Mechanisch: EF45
Pumpenaggregat der Fa. ECOROLL AG
– HGP 400
Versuchswerkstoffe
– 42CrMo4 (Vergütungsstahl)
– GGG60 (Gusseisen mit Kugelgraphit)
– IN718 (Nickelbasislegierung)
Versuchswerkstück
– Festwalzen …
der Mantelfläche
des Außenradius
des Innenradius
der Bohrung (nicht sichtbar)
Dreibackenfutter
Werkstück
Pinole
Festwalzwerkzeug
GGG60 IN718 42CrMo4
Mantelfläche Außenradius Innenradius
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Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsdurchführung: Messung der Eigenspannungen
Dehnungs-
messstreifen
Verformte Kontur
(Nach der Bohrung)
Unverformte Kontur
(Vor der Bohrung)
ΔL
Präzisionszustellung Makrokamera
Einspannung Kaltlichtquelle
0
100
200
300
400
500
600
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Deh
nu
ng
en
ε [
-]
Exemplarisch gemessene Dehnungen
DMS 0°
DMS 45°
DMS 90°
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6E
igen
sp
an
nu
ng
en
σ [
MP
a]
Bohrtiefe t [mm]
Exemplarische richtungsabhängige Spannungen Sigma X
Sigma Y
Seite 9 © WZL/Fraunhofer IPT
Mikrohärte
Härte vor dem Festwalzen 𝐻0 = 48 HRC
Härte nach dem Festwalzen 𝐻1 = 55 HRC
Am Beispielwerkstoff 1.7225 (42CrMo4)
Makrohärte
Messuhr
Intruder
Auflagetisch
250
300
350
400
450
500
550
8 54 99 142
Mik
roh
ärt
e H
V0.1
[N
/mm
²]
Randzonentiefe t [µm]
𝑠 = 0,35 mm
𝑓= 200 Hz
𝑣 = 1200 mm/min
𝑎 = 𝑏 = 0.1 mm
𝐷 = 6 mm
Parameter
𝐻1 = „55“ HRC 𝐻0 = 48 HRC
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsdurchführung: Messung der Mikro- und Makrohärte
p=400bar, ØKugel= HG6, Ü=0,8
20 µm
30
µm
Messpunkte
Grundgefüge
Randzone
Randzone
P = 400 bar, ØK= HG6,
Ü=0,8 100 µm 200 µm
gedreht festgewalzt
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Proben Eigenspannung
σx [MPa]
Eigenspannung
σy [MPa]
Walzdruck
p [bar]
Werkzeug
D [mm]
Überdeckung Ü
[%]
0-B-42CrMo4-2 -1350,6 -511,2 400 HG13 80
0-B-42CrMo4-8 -1245,4 -523,3 400 HG13 30
0-B-42CrMo4-7 -1084,3 -438,3 400 HG6 80
0-B-42CrMo4-5 -1020,8 -463,9 400 HG6 30
0-B-42CrMo4-6 -980,6 -515,8 100 HG13 80
0-B-42CrMo4-3 -931,3 -448,2 100 HG13 30
0-B-42CrMo4-4 -875,5 -486,1 100 HG6 30
0-B-42CrMo4-1 -734,5 -416,6 100 HG6 80
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsergebnisse: Eigenspannungen für 42CrMo4
Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen
Absteigende Sortierung der maximalen Druckeigenspannungen für 42CrMo4 offenbart
bereits ein Muster in den Prozesseingangsgrößen: Druck > Werkzeug > Überdeckung
Versuch 0-B-42CrMo4-4 stellt allerdings einen Ausreißer dar (blau)
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0 50 100 150 200 250 300
C
D
AB
AD
AC
B
A
Effekt
Pro
zessp
ara
mete
r
42CrMo4
A Walzdruck AC Walzdruck mit Überdeckung
B Werkzeugdurchmesser AB Walzdruck mit Werkzeugdurchmesser
C Überdeckung AD Walzdruck mit Walzgeschwindigkeit
D Walzgeschwindigkeit
Haupteffekte Hauptwechseleffekte
-1200
-1028
-856
HG6 HG13
Werkzeugdurchmesser
-1200
-1028
-856
100 400
Walzdruck
-1200
-1028
-856
70 150
Walzgeschwindigkeit
-1200
-1028
-856
0,3 0,8
Überdeckung
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Identifikation der Hauptparameter: Eigenspannungen für 42CrMo4
mm
mm/s
bar
%
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
Signifikanzlinie
Seite 12 © WZL/Fraunhofer IPT
-1400
-1200
-1000
-800
HG6 HG13
Werkzeugdurchmesser
-1400
-1200
-1000
-800
100 400
Walzdruck
-1400
-1200
-1000
-800
70 150
Walzgeschwindigkeit
-1400
-1200
-1000
-800
0,3 0,8
Überdeckung
0 50 100 150 200 250 300 350
AD
AC
AB
D
C
B
A
Effekt
Pro
zessp
ara
mete
r
Haupteffektdiagramm
Haupteffekte
A Walzdruck
B Werkzeugdurchmesser
C Überdeckung
D Walzgeschwindigkeit 42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4
GGG60
IN718
IN718
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Werkstoffübergreifende Zusammenfassung der Hauptparameter auf die Eigenspannungen
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
mm
mm/s
bar
%
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Eigenspannungen Kaltverfestigung
Oberflächenrauheit
D
(Ü)
(V)
(P)
P
D
(V)
Ü
Fest-walzen
P
(D)
(Ü)
(V)
Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Zielkonfliktdiagramm für 42CrMo4
Seite 14 © WZL/Fraunhofer IPT
Eigenspannungen Kaltverfestigung
P
(D)
(V)
(Ü)
P
D
(Ü)
(V)
Fest-walzen
P
(D)
(Ü)
(V)
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Zielkonfliktdiagramm für GGG60
Oberflächenrauheit
Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung
Seite 15 © WZL/Fraunhofer IPT
Eigenspannungen Kaltverfestigung
D
(P)
(Ü)
(V)
P
Ü
(V)
(D)
Fest-walzen
P
(D)
(V)
(Ü)
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Zielkonfliktdiagramm für IN718
Oberflächenrauheit
Legende: P = Walzdruck ; D = Werkzeugdurchmesser ; V = Walzgeschwindigkeit ; Ü = Überdeckung
Seite 16 © WZL/Fraunhofer IPT
Fazit und Ausblick 5
Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 4
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 3
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 2
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 1
Gliederung
Seite 17 © WZL/Fraunhofer IPT
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse
Modellierung der Werkstoffmaterialen
Experiment Ergebnisse und Verifizierung Modellierung
Modellierung des nichtlinearen
isotrop/kinematischen Mate-
rialverhaltens mit Hilfe der kon-
stitutiven Materialbeschreibung
nach Lemaitre-Chaboche
Isotropes Verfestigungsmodell:
𝜎0 = 𝜎0 + 𝑄∞ (1 − 𝑒−𝑏𝜀−𝑝𝑙)
Kinematischer Anteil:
𝛼 = 𝐶𝜀 𝑝𝑙(𝜎 − 𝛼)
𝜎0− 𝛾𝛼𝜀 𝑝𝑙
Parameterfitting durch Simu-
lation der ersten beiden Last-
wechsel (LW) über die Zeit
Zug Druck Zug
F F FE-Modell
F
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
0 20 40 60 80
Sp
an
nu
ng
σ [
MP
a]
Zeit t [s]
GGG60 [2%]
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
0 20 40 60 80
Sp
an
nu
ng
σ [
MP
a]
Zeit t [s]
42CrMo4 [2%]
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
-3% -2% -1% 0% 1% 2% 3%
Sp
an
nu
ng
[M
Pa]
Dehnung [%]
Bauschinger-Versuch bei 42CrMo4
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
-3% -2% -1% 0% 1% 2% 3%S
pan
nu
ng
[M
Pa]
Dehnung [%]
Bauschinger-Versuch bei GGG60
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
-3% -2% -1% 0% 1% 2% 3%
Sp
an
nu
ng
[M
Pa]
Dehnung [%]
Bauschinger-Versuch bei 42CrMo4
-1200
-800
-400
0
400
800
1200
-3% -2% -1% 0% 1% 2% 3%
Sp
an
nu
ng
[M
Pa]
Dehnung [%]
Bauschinger-Versuch bei GGG60
Simulation Experiment
Zug-Druck-Versuche am
Karlsruher Institut für Techno-
logie (KIT) bei 2%, 4% und 6%
Dehnung
1.
LW
2.
LW
Seite 18 © WZL/Fraunhofer IPT
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse
Modellierung der Prozesskinematik beim rotationssym. Festwalzen
𝐹
𝑐 𝑏
𝑚 𝑧, 𝑧, 𝑧
𝑧, 𝑧, 𝑧 𝐹 𝑚
𝑃𝑊𝑒𝑟𝑘𝑧𝑒𝑢𝑔
𝐴𝐾
RP
ωK
ω
𝑣𝑡
𝑅
r
𝑣Kmax
𝑣𝐾
ωk
r
𝑣𝐾
𝐹
Prozesskinematik Kontaktbeschreibung Exemplarische Anwendung
Vereinfachtes
Festwalzwerkzeug
Werkstück
𝑧
𝑦 𝑥
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|𝑅2| = 𝑅1
0
𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐹
𝐹
𝐹
𝑅1
𝐹 𝑅2 = ∞
𝐹
𝑅1
𝐹 𝑅2
Abstraktion
A
Abstraktion
B
C
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse
Modellierung ausgewählter Geometrieelemente
A
B
C
Mises [MPa]
+1200
+0
+600
Geometrievariation
|𝑅2| > 𝑅1 |𝑅2| = ∞ 𝑅2 > 𝑅1 𝑅2 = 𝑅1
𝑅2 < 0 𝑅2 > 0
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-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
0.0
0
0.0
5
0.1
0
0.1
5
0.2
0
0.2
5
0.3
0
0.3
5
0.4
0
0.4
5
0.5
0
1.3
3
2.1
6
3.0
0
Eige
nsp
ann
un
gen
σ q
ue
r [M
Pa]
Randtiefe t [mm]
Eigenspannungen quer: S33(P)
Walzdruck P=100 bar P=175 P=250 P=325 P=400
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
0.0
0
0.0
5
0.1
0
0.1
5
0.2
0
0.2
5
0.3
0
0.3
5
0.4
0
0.4
5
0.5
0
1.3
3
2.1
6
3.0
0
Eige
nsp
ann
un
gen
σ lä
ngs
[M
Pa]
Randtiefe t [mm]
Eigenspannungen längs: S11(P)
Walzdruck P=100 bar P=175 P=250 P=325 P=400
Eigenspannungen in Umfangsrichtung (x) Eigenspannungen in Achsrichtung (y)
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse
Auswertung der simulativen Eigenspannungen
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Fazit und Ausblick 5
Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 4
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 3
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 2
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 1
Gliederung
Seite 22 © WZL/Fraunhofer IPT
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Herleitung von dimensionslosen Kennzahlen
Autokorrelationsfunktion (exemplarisch für 42CrMo4) Dimensionslose Kennzahlen
Nach DoE signifikante Kenn-
zahlen (siehe Punkt 2 der
Gliederung)
𝛱1= 𝑓
𝐷 𝛱3=
𝑑
𝐷 𝛱8=
𝑝
𝐸
Weniger signifikante Kenn-
zahlen
𝛱2= 𝑣
𝐸𝜌
𝛱4= 𝑄∞
𝐸 𝛱5=
𝐶
𝐸
𝛱6= 𝑅𝑝0,2
𝐸 𝛱7=
𝐻𝑉
𝐸 𝛱9=
𝑅𝑧
𝐷
Randzonentiefe t [µm] Eig
en
sp
an
nu
ng
σ [
MP
a]
𝜎𝑚𝑎𝑥
𝜎0
𝜎𝑚𝑖𝑛
𝑧𝑚𝑖𝑛 𝑧0 𝑧𝑚𝑎𝑥
-1200
-960
-720
-480
-240
0
100 175 250 325 400
-5.80E-03
-4.64E-03
-3.48E-03
-2.32E-03
-1.16E-03
0.00E+00
2.37E+05 4.14E+05 5.92E+05 7.69E+05 9.47E+05
sm
in [M
Pa
]
Walzdruck [N/m²]
sm
in/E
[ -
]
Druckkennzahl π8 [ - ]
Eigenspannung in Achsrichtung (y)
Eigenspannung in Umfangsrichtung (x)
𝜎𝑦𝐸 = −191721𝜋8
2 + 36,649𝜋8 − 0,0035
𝜎𝑥𝐸 = −199054𝜋8
2 + 20,999𝜋8 − 0,0042
Seite 23 © WZL/Fraunhofer IPT
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Integration des Produktansatzes in eine Datenbank
Excel-Datenbank zur zeiteffizienten Vorhersage
Seite 24 © WZL/Fraunhofer IPT
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Vergleich der Ähnlichkeitsmechanik mit dem Simulationsmodell
Auszug des Vorhersagediagramms der Excel-Datenbank
Simulierte Tiefenverläufe (Linienzüge)
Vorhergesagte Stützstellen
mit der Ähnlichkeitsmechanik
Seite 25 © WZL/Fraunhofer IPT
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Validierung der Ähnlichkeitsmechanik am Beispiel der Eigenspannungen
Modell 𝛔𝟎∥𝐄
𝛔𝟎⊥𝐄
𝛔𝐦𝐢𝐧∥
𝐄
𝛔𝐦𝐢𝐧⊥
𝐄
𝛔𝐦𝐚𝐱∥
𝐄
𝛔𝐦𝐚𝐱⊥
𝐄
𝐳𝟎∥𝐝
𝐳𝟎⊥
𝐝
𝐳𝐦𝐢𝐧∥
𝐝
𝐳𝐦𝐢𝐧⊥
𝐝
𝐳𝐦𝐚𝐱∥
𝐝
𝐳𝐦𝐚𝐱⊥
𝐝
HG3 P250 V110 10% -2% -5% -1% -41% -53% -5% -11% 0% / -3% -21%
HG6 P100 V110 5% 10% 10% 12% -9% -34% -2% -25% -7% / 47% -30%
HG6 P175 V110 -1% -12% -8% -10% 43% 26% -2% 45% 9% -27% -29% 58%
HG6 P250 V30 -9% -3% -6% -2% -58% -56% -6% -10% 3% 6% -3% -22%
HG6 P250 V70 -8% -2% -5% -1% -64% -56% -4% -11% 2% 6% -3% -22%
HG6 P250 V110 -10% -2% -6% -1% -46% -58% -5% -10% 0% 7% -3% -22%
HG6 P250 V150 -10% -3% -6% -2% -67% -58% -2% -10% 0% 6% -3% -22%
HG6 P250 V200 -11% -2% -6% -1% -57% -60% 3% -10% -92% 6% -3% -22%
HG6 P325 V110 19% 16% 25% 17% -151% -89% 10% -10% -13% 12% 38% -22%
HG6 P400 V110 -3% -3% -4% -2% -13% -3% / 6% 2% -10% -10% -22%
HG13 P250 V110 -9% -2% -6% -1% -34% -23% 49% 44% 0% 7% -3% -22%
Randzonentiefe t [µm] Eig
en
sp
an
nu
ng
σ [
MP
a]
𝜎𝑚𝑎𝑥
𝜎0
𝜎𝑚𝑖𝑛
𝑧𝑚𝑖𝑛 𝑧0 𝑧𝑚𝑎𝑥
Abweichung der
Ähnlichkeitsmechanik
von den Simulations-
ergebnissen
Seite 26 © WZL/Fraunhofer IPT
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Analyse der Übertragbarkeit der Prozesszielgrößen mit Hilfe der Kennzahlen
Untersuchte Fragestellungen
Können die Ergebnisse eines Festwalz-
prozesses von einem Werkstoff A auf einen
anderen Werkstoff B übertragen werden?
Können die Ergebnisse eines Festwalz-
prozesses auf ein gleiches Geometrie-
element anderer Größendimension
übertragen werden?
Können die Ergebnisse zwischen zwei
verschiedenen Geometrieformen
übertragen werden?
42CrMo4 GGG60
Ergebnisse
Ergebnisse
Ergebnisse
Seite 27 © WZL/Fraunhofer IPT
Analyse des Werkstoffs Analyse der Geometrie Analyse der Dimension
Die Ergebnisse sind übertrag-
bar, wenn die relevanten Kenn-
zahlen für die Beschreibung
des Werkstoffs konstant
gehalten werden:
Vorhersage des Randschichtzustandes mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik
Analyse der Übertragbarkeit der Prozesszielgrößen mit Hilfe der Kennzahlen
𝜫𝟔= 𝑹𝒑𝟎,𝟐
𝑬 𝜫𝟖=
𝒑
𝑬
Schlussfolgerung
Zielkonflikt: 𝛱6 kann nicht
konstant gehalten werden
Festwalzergebnisse können
zwischen zwei verschiedenen
Werkstoffen nur übertragen
werden, wenn ihre Werkstoff-
kennwerte, vor allem E-Modul
und Rp0,2, gleich sind.
partielle Ähnlichkeit
Die Ergebnisse sind übertrag-
bar, wenn die relevanten Kenn-
zahlen für die Beschreibung der
Dimension konstant gehalten
werden:
𝜫𝟏= 𝒇
𝑫 𝜫𝟑=
𝒅
𝑫
Schlussfolgerung
Festwalzergebnisse können
zwischen zwei Geometrie-
elementen unterschiedlicher
Dimension vollständig
übertragen werden
Hierzu muss bei Variation der
Dimension lediglich der Kugel-
durchmesser und der Walz-
vorschub verändert werden.
Die Ergebnisse sind übertrag-
bar, wenn die relevante Kenn-
zahl für die Beschreibung des
Ersatzkrümmungsradius
konstant gehalten wird:
𝜫𝟑= 𝒅
𝑫 𝑯𝒆𝒓𝒕𝒛
𝒌 ∙ 𝒅
Schlussfolgerung
Festwalzergebnisse können
zwischen zwei unterschied-
lichen Geometrieformen in
Theorie vollständig über-
tragen werden, siehe Hertz:
𝑃𝐻𝑒𝑟𝑡𝑧 =
6
𝜋³⋅
𝐸′
1−𝜈²
2⋅ 𝐹 ⋅
1
𝑑1±
1
𝑑2
23
𝑃𝐻𝑒𝑟𝑡𝑧 = 𝑥1 ∙ 𝐹 ⋅ 𝑘 23
Seite 28 © WZL/Fraunhofer IPT
Fazit und Ausblick 5
Vorhersage des Randschichtzustands mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik 4
Aufbau und Verifizierung des FE-Modells und Analyse der Simulationsergebnisse 3
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter 2
Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 1
Gliederung
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Fazit und Ausblick
Die FEM ist grundsätzlich in der Lage, den
Festwalzprozess quantitativ abzubilden
Anhand der simulativ ermittelten Datenbasis für die
betrachteten Versuchskörper konnte eine
Korrelation zwischen Prozesseingangs- und
Prozessausgangsgrößen mit Hilfe der Methoden
der Ähnlichkeitsmechanik für die untersuchten
Werkstoffe 42CrMo4, GGG60 und IN718 abgeleitet
werden
Hierdurch sind zeiteffiziente Aussagen über die
Eigenschaften Eigenspannungen und Umformgrad
in der Randschicht möglich
Die Validität der Vorhersagekenngrößen ist nur bei
Variation der signifikanten Parameter Druck und
Kugeldurchmesser in den untersuchten Prozess-
grenzen gegeben
(100 < Druck [bar] < 400)
(3 < Kugeldurchmesser [mm] < 13)
Fazit Ausblick
Aktuelle Forschungsvorhaben haben zum Inhalt mit
Hilfe der Methoden der Ähnlichkeitsmechanik eine
Korrelation zwischen den Eigenschaften der
Randschicht (Eigenspannungen, Kaltverfestigung
und Oberflächengüte) und der Dauerfestigkeit ´zu
entwickeln
Hierdurch könnten aufwendige experimentelle und
numerische Dauerschwingversuche eingespart
werden
Schwingspielzahl N (log)
Lastb
reit
e L
(lo
g)
K
K: Kurzzeitfestigkeit
Z: Zeitfestigkeit
D: Dauerfestigkeit
Z D
Randschicht 1
Randschicht 2
0 +400 𝜎𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth
Gruppe Umformende Fertigungsverfahren
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
( +49 241/ 80 27999
RP
ωK
ω
𝑣𝑡
𝑅
r
𝑣Kmax
𝑣𝐾
ωk
r
𝑣𝐾
𝐹
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Backup
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Proben Härte
H [HRC]
Härtezuwachs ΔH [HRC]
Walzdruck
p [bar]
Werkzeug
D [mm]
Überdeckung Ü
[%]
0-B-42CrMo4-5 55 30 400 HG6 30
0-B-42CrMo4-7 54 29 400 HG6 80
0-B-42CrMo4-2 53 28 400 HG13 80
0-B-42CrMo4-4 52 27 100 HG6 30
0-B-42CrMo4-8 51 26 400 HG13 30
0-B-42CrMo4-1 50 25 100 HG6 80
0-B-42CrMo4-3 49 24 100 HG13 30
0-B-42CrMo4-6 48 23 100 HG13 80
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsergebnisse: Kaltverfestigung an 42CrMo4
Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen
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Proben Ra
[µm]
RZ
[µm]
Walzdruck
p [bar]
Werkzeug
D [mm]
Überdeckung Ü
[%]
0-B-42CrMo4-6 0.06 0.44 100 HG13 80
0-B-42CrMo4-3 0.09 0.74 100 HG13 30
0-B-42CrMo4-2 0.11 0.79 400 HG13 80
0-B-42CrMo4-8 0.12 0.82 400 HG13 30
0-B-42CrMo4-7 0.12 0.85 400 HG6 80
0-B-42CrMo4-1 0.15 0.85 100 HG6 80
0-B-42CrMo4-4 0.19 1.09 100 HG6 30
0-B-42CrMo4-5 0.25 1.25 400 HG6 30
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Versuchsergebnisse: Oberflächenrauheit bei 42CrMo4
Prozesszielgrößen Prozesseingangsgrößen
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-900
-700
-500
-300
-100
HG6 HG13
Werkzeugdurchmesser
-900
-700
-500
-300
-100
100 400
Walzdruck
-900
-700
-500
-300
-100
70 150
Walzgeschwindigkeit
-900
-700
-500
-300
-100
0,3 0,8
Überdeckung
0 50 100 150 200 250 300
AD
AC
AB
D
C
B
A
Effekt
Pro
zessp
ara
mete
r
Haupteffektdiagramm
Haupteffekte
A Walzdruck
B Werkzeugdurchmesser
C Überdeckung
D Walzgeschwindigkeit 42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4
GGG60
IN718
42CrMo4
IN718
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Identifikation der Hauptparameter der Eigenspannungen (längs)
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
Eig
enspannungen σ
[M
Pa]
mm
mm/s
bar
%
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20
30
40
50
60
HG6 HG13
Werkzeugdurchmesser
20
30
40
50
60
100 400
Walzdruck
20
30
40
50
60
70 150
Walzgeschwindigkeit
20
30
40
50
60
0,3 0,8
Überdeckung
0 2 4 6 8 10 12
AD
AC
AB
D
C
B
A
Effekt
Pro
zessp
ara
mete
r
Haupteffektdiagramm
Haupteffekte
A Walzdruck
B Werkzeugdurchmesser
C Überdeckung
D Walzgeschwindigkeit 42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4
GGG60
IN718
42CrMo4 42CrMo4
GGG60
IN718 IN718
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Identifikation der Hauptparameter der Kaltverfestigung
Kaltverf
estigung P
EE
Q [-
] K
altverf
estigung P
EE
Q [
-]
mm
mm/s
bar
%
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0
1
2
HG6 HG13
Werkzeugdurchmesser
0
1
2
100 400
Walzdruck
0
1
2
70 150
Walzgeschwindigkeit
0
1
2
0,3 0,8
Überdeckung
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
AD
AC
AB
D
C
B
A
Effekt
Pro
zessp
ara
mete
r
Haupteffektdiagramm
Haupteffekte
A Walzdruck
B Werkzeugdurchmesser
C Überdeckung
D Walzgeschwindigkeit 42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4 GGG60 IN718
42CrMo4
GGG60
IN718
IN718 IN718
Experimentelle Versuchsdurchführung und Identifikation der Hauptparameter
Identifikation der Hauptparameter der Oberflächenrauheit
Rauhheit R
z [
µm
] R
auheit R
z [
µm
]
mm
mm/s
bar
%
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