Institut für Anwendungstechnik Pulvermetallurgie und Keramik an der RWTH Aachen e.V.

Forschung

Quantitative Beschreibung des Eigenspannungsverlaufes beim Tief- und Pendelschleifen von 100Cr6

Die Verschleißfestigkeit von geschliffenen Bauteilen hängt im Wesentlichen von dem Bauteilrandzonengefüge, der Oberflächengüte sowie den Eigenspannungen ab. Eine Vielzahl von Bauteilen, die schleiftechnisch hergestellt werden, sind im späteren Lebenszyklus dynamisch beansprucht. Eigenspannungen beeinflussen insbesondere die Schwingfestigkeit, wobei Druckeigenspannungen zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit beitragen und somit als positiv einzustufen sind. Die Lebensdauer eines Bauteils ist damit entscheidend abhängig von den Eigenspannungen in der Bauteilrandzone.

Beim Schleifen wirkt ein thermo-mechanisches Belastungskollektiv auf die Randzone, das zu einer Veränderung der Werkstückrandzoneneigenschaften und des Eigenspannungszustandes führt. Für die Entstehung von Eigenspannungen sind drei übergeordnete Ursachen verantwortlich: Temperatur, Phasenumwandlung und Deformation, die in Wechselwirkung miteinander stehen (Abbildung 1).

Simulierte Vergleichsspannungen nach von Mises während des Schleifens
Abbildung 1: Simulierte Vergleichsspannungen nach von Mises während des Schleifens

Im Rahmen des Projektes „Quantitative Beschreibung des Eigenspannungszustandes beim Tief- und Pendelschleifen von 100Cr6“ arbeitet das IWM zusammen mit dem WZL der RWTH Aachen. Die Aufgabe des IWM besteht in der Modellierung und Simulation des Materialverhaltens während des Schleifens. Hierbei sind sämtliche Materialeigenschaften und Modellparameter in Abhängigkeit von der Temperatur und dem metallurgischen Zustand, von der Phasenzusammensetzung im Gefüge, zu beschreiben. Experimentelle Untersuchungen werden durchgeführt, um die Kinetik der Phasenumwandlungen im Wälzlagerstahl 100Cr6 beim Tief- und Pendelschleifen zu ermitteln. Weiterhin wird das Festigkeitsverhalten des Materials bei unterschiedlichen thermischen und metallurgischen Zuständen untersucht. Die gewonnenen Kenntnisse über das ganzheitliche Materialverhalten unter der gegebenen Randbedingungen beim Schleifen werden durch verknüpfte mathematische Zusammenhänge in einem Modell implementiert und darauf aufbauend werden FE-Simulationen durchgeführt. Abschließend wird die Vorhersagegenauigkeit des Simulationsmodells anhand von Eigenspannungsmessungen an den geschliffenen Proben verifiziert.

Die folgende Abbildung zeigt eine vorläufige 2D-Simulation. Dargestellt ist die Vergleichsspannung nach Von Mises während des Schleifens für zwei unterschiedliche Tischvorschubgeschwindigkeiten vw.

Simulierte Vergleichsspannungen nach von Mises während des Schleifens
Abbildung 2: Simulierte Vergleichsspannungen nach von Mises während des Schleifens

In wieweit die Phasenumwandlungen vorhergesagt werden können, zeigen die Simulationsergebnissen im Folgenden. Dabei sind unterschiedliche Ausprägungen der Neuhärtungszone in Tiefe der Werkstückrandzone zu erkennen. Die in den Gefügeanalysen herausgestellten Neuhärtungsonen bestätigen die simulierten Phasenumwandlungen.

Quantitativer Vergleich der experimentell und simulativ ermittelten Phasenumwandlung
Abbildung 3: Quantitativer Vergleich der experimentell und simulativ ermittelten Phasenumwandlung

Der Eigenspannungszustand ändert sich nach jedem Schleifhub. In der Neuhärtungszone ist aufgrund von Phasenumwandlung Druckeigenspannungen gegeben. Unterhalb der Werkstückrandzone führt die thermische Beanspruchung zu Zugeigenspannungen. Einen Vergleich zwischen experimentell und simulativ ermittelten Eigenspannungen stellt die Abbildung für verschiedene Schleifhübe dar.

Vergleich der Eigenspannungen in der Werkstückrandzone zwischen Experiment und Simulation für verschiedene Schleifhübe
Abbildung 4: Vergleich der Eigenspannungen in der Werkstückrandzone zwischen Experiment und Simulation für verschiedene Schleifhübe
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