Experimentelle sowie numerische Modellierung und Analyse mikrostruktureller Eigenspannungen von warmmassivumgeformten Bauteilen mit gezielter Abkühlung

Hochbelastete Bauteile z.B. in Antrieben werden wegen der resultierenden Festigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit durch Warmumformverfahren hergestellt. Versagensfälle werden meist mit ungünstigen Eigenspannungsprofilen aus dem Fertigungsverfahren in Verbindung gebracht. Hier besteht ein wichtiger Anknüpfungspunkt zur Optimierung der Bauteilperformance. In der engen Zusammenarbeit mit dem Institut für Mechanik an der Universität Duisburg-Essen wurde durch umfassende Materialcharakterisierung, FE-Modellierungen sowie experimentelle Untersuchungen eines Referenzprozesses mit abstrakter Probengeometrie eine umfangreiche Wissensbasis sowie numerische Werkzeuge für das Verständnis und die Modifizierbarkeit der Eigenspannungen im Warmumformprozess auf verschiedenen Skalen geschaffen. Dabei wurden in Oberflächenbereichen mit Zugeigenspannungen durch gezielte Prozessführung Druckeigenspannungen induziert sowie das damit einhergehende Potential der Eigenschaftsverbesserung von Schmiedebauteilen nachgewiesen. Es liegt somit ein validiertes einskaliges FE-Modell für die Prozessauslegung und ein thermo-mechanisches mehrskaliges FE²-Modell zur Abbildung der Phasentransformation auf der Mikroskala vor.

Diese Werkzeuge, Methoden und Konzepte werden für die Gestaltung, Auslegung und Optimierung eines industrienahen Herstellungsprozesses zusammen mit dem Institut für Mechanik der Universität Duisburg-Essen weiterentwickelt und angepasst. Eine abgesetzte Welle aus 42CrMo4 (1.7225) dient exemplarisch als hochbelastetes Schmiedebauteil mit langteiliger Geometrie, wie sie bei Achsen oder Antriebswellen zum Einsatz kommen. Derartige Bauteile erfahren nach der Herstellung mittels Warmumformung nur geringfügige lokale Hartfeinbearbeitungen der Lagersitze. An den z.B. durch Biegung hochbelasteten Bauteilpartien bleiben die erzeugten Eigenspannungen erhalten.

Im Zuge der numerischen Prozessauslegung wird eine Maximierung der Lebensdauer der Welle durch eine für den Anwendungsfall maßgeschneiderte Eigenspannungsverteilung angestrebt. Zu diesem Zweck werden die bestehenden Simulationsmodelle um einen Berechnungsansatz zur Lebensdauervorhersage basierend auf dem vorherrschenden Eigenspannungszustand erweitert. Anschließend wird die optimierte Prozesskette experimentell realisiert und die eigenschaftsverbessernden Wirkmechanismen der Eigenspannungen im Bauteil aus dem optimierten Prozess sowie einem konventionellen Referenzprozess mit zyklischen Belastungen im Dauerbetrieb untersucht. Darüber hinaus dienen experimentelle Lebensdaueruntersuchungen der Validierung der Simulationsmodelle.

Des Weiteren werden durch die Betrachtung der Lebensdauerperformance der Wellen bei gleichzeitiger Analyse der Eigenspannungsstabilität unter einer vorherrschenden wechselnden Biegebelastung (Achsen) sowie einer schwellenden Torsionsbelastung (Wellen im Antriebsstrang) zwei mögliche Anwendungsszenarien des Stahls 42CrMo4 (1.7225) abgedeckt. Mit dieser Vorgehensweise wird die Übertragbarkeit der Projektergebnisse auf ein breites Spektrum industrieller Anwendungen ermöglicht.