Volume 61, Issue 1

Kurzfassung In der industriellen Praxis gewinnt die Simulation von Fertigungsprozessen zunehmend an Bedeutung. Die Finite-Elemente-Simulation von Wärmebehandlungsprozessen hat, trotz eines permanent steigenden Interesses, in der Industrie allerdings erst eine vergleichsweise geringe Verbreitung gefunden. Ursache hierfür sind unter anderem die komplexen werkstofftechnischen Zusammenhänge, die in der Simulation abgebildet werden müssen, sowie ein Mangel an abgesicherten Werkstoffkenndaten. Des Weiteren sind für die Wärmebehandlungssimulation komplexer Geometrien relativ hohe Rechenkapazitäten erforderlich. Aus diesem Grund initiierte die Robert Bosch GmbH das Forschungsprojekt C.A.S.H., das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt wurde. Die Projektpartner waren die DaimlerChrysler AG, ALD Vacuum Technologies GmbH, ESI GmbH, Kistler-IGeL GmbH, SHU GmbH sowie die Institute IWK I der Universität Karlsruhe und das IWT Bremen. Das Ziel des Projekts war, softwareunabhängige Methoden und Konzepte zur Vereinfachung der Wärmebehandlungssimulation zu entwickeln, die es dem unerfahrenen Anwender ermöglichen, den Werkstoff- und Bauteilzustand nach der Wärmebehandlung unabhängig vom verwendeten Softwarepaket vorherzusagen. Diese erste Veröffentlichung aus einer Reihe von vier in dieser Ausgabe erschienenen Veröffentlichungen über das C.A.S.H.-Projekt gibt einen Überblick über die Projektstruktur und -inhalte.

Kurzfassung Der Erfolg von Wärmebehandlungssimulationen hängt in ho hem Maße von verlässlichen Eingabedaten, insbesondere den Materialeigenschaften, ab. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts C.A.S.H. – Rechnergestützte Vorhersage von Werkstück- und Werkstoffzuständen nach Wärmebehandlung – aufwändige Messungen und Auswertungen für die Stähle 16MnCr5, 20MnCr5, und 18CrNiMo7-6 betrieben. Die Arbeiten beinhalten Messungen mechanischer Kenngrößen wie Streckgrenze, UP-Konstante oder Dehnungen genauso wie thermo-physikalische Größen. Darüber hinaus wurde das Umwandlungsverhalten untersucht und auf Basis des Johnson-Mehl-Avrami- und des Leblond-Modells beschrieben. Zugversuche, auch an unterkühltem Austenit, wurden auf einem speziell da-für umgebauten Versuchsstand durchgeführt. Hier werden ausgewählte Ergebnisse für den Stahl 20MnCr5 präsentiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Vorstellung einer neuartigen Auswertung und Beschreibung thermischer Dehnungen auf der Basis von Dilatometerversuchen. Dabei wird zum ersten Mal die Dichteänderung durch Aufkohlung berücksichtigt und erklärt, wie diese in die Anpassung von Dilatometerkurven von Proben mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt einfließen sollte.

Kurzfassung Die Simulation von Fertigungsprozessen hat sich immer stärker als ein entscheidendes Werkzeug im Rahmen des Simultaneous Engineering etabliert. Durch Simulationen der kompletten Fertigungskette können Entwicklungszeiten verkürzt und Verfahren optimiert werden. Der Bereich der Wärmebehandlung von Stählen mit vergleichsweise langen Prozesszeiten und komplexen Veränderungen des Werkstoffzustandes im Bauteil würde dem Einsatz von Simulationswerkzeugen ein breites Anwendungsgebiet mit vielfältigen Optimierungsmöglichkeiten ermöglichen. Es bestehen jedoch immer noch Schwierigkeiten und Restriktionen, z.B. die Komplexität der zu untersuchenden Bauteile, um verlässliche Wärmebehandlungssimulationen durchzuführen. Deshalb wurden im Projekt “Computer Aided Simulation of Heat Treatment – C.A.S.H.” zwei Methoden zur effizienten Durchführung von Wärmebehandlungssimulationen entwickelt. Eine Methode ist die Abstraktion, die in dieser Veröffentlichung erläutert wird.

Kurzfassung Die Simulation von Wärmebehandlungsprozessen wie dem Einsatzhärten wurde bis heute meist an einfachen Geometrien durchgeführt. In der industriellen Praxis besteht allerdings die Notwendigkeit, oft große, komplexe Geometrien zu berechnen. Dies ist mit dem heutigen Stand der Technik in einer vernünftigen Zeit nur beschränkt möglich. Strategien zur effizienten Berechnung von Wärmebehandlungsprozessen wurden daher erarbeitet und getestet. Eine dieser Strategien ist die Verwendung eines so genannten Baukastens, in dem wiederum drei Methoden zusammengefasst sind. Eine dieser Methode ist das “Submodelling“, bei dem lokale Geometrieelemente freigeschnitten und mit Randbedingungen aus einer vereinfachten Simulation des Gesamtbauteils beaufschlagt werden. Die zweite hier vorgestellte Strategie ist die “Substitutions-Methode“, bei der Geometrieelemente durch Elementschichten mit bestimmten Eigenschaften ersetzt werden, so dass das Gesamtverhalten identisch bleibt. Die dritte und letzte untersuchte Strategie ist die Methode der “lokalen Netzverfeinerung“, bei der lokale Geometrieelemente ein deutlich feineres Netz als das Gesamtbauteil aufweisen. Ausgewählte Ergebnisse der drei Strategien werden im Folgenden dargestellt und mit experimentell bestimmten Kennwerten hinsichtlich Gefügeverteilung, Spannungen und Maß- und Formänderungen an zwei komplexen Geometrien verglichen.

Kurzfassung Zur Untersuchung des Verzugsverhaltens von Modellbauteilen wurde eine Großzahl zylindrischer Scheiben mit Innenbohrung aus dem Werkstoff 20MnCr5 als Modellgeometrie zur Vereinfachung einer Zahnradgeometrie eingesetzt. Insgesamt wurden sechs verschiedene Scheibenvarianten untersucht, wobei zwei verschiedene Höhen und drei verschiedene Außendurchmesser kombiniert wurden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Aufkohlungstiefe, des Randkohlenstoffgehaltes und der Chargierung in die Untersuchung einbezogen. Neben gasaufgekohlten und ölabgeschreckten Scheiben wurden zum Vergleich weitere Scheiben im Niederdruck aufgekohlt und im Gas abgeschreckt. Da die Experimente unter Anwendung der statistischen Versuchsplanung durchgeführt wurden, war es möglich, die signifikanten und hochsignifikanten Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen der Scheiben zu identifizieren. Weiterhin wurde auch der Einfluss der Teileabmessungen auf das Verzugsverhalten näher untersucht und mit Hilfe von Simulationsrechnungen Begründungen für bestimmte Formänderungen gefunden.

Kurzfassung Ein der spanenden Bearbeitung nachfolgender Festwalzprozess kann sich positiv auf die Randzoneneigenschaften auswirken. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten werden die Einflüsse von System- und Stellgrößen des Festwalzprozesses auf die Randzoneneigenschaften bestimmt. Mit Hilfe dieses Wissens ist die Auslegung eines Vielkugelwerkzeuges möglich. Bei dem vergüteten Werkstoff 42CrMo4 lassen sich eine deutliche Verbesserung der Oberflächenrauheit und eine Einbringung von Druckeigenspannungen in die Randzone erzielen. Haupteinflussfaktoren auf das Walzergebnis sind Walzdruck, Kugeldurchmesser und Spurabstand.

Kurzfassung Für die dauerfeste Dimensionierung von nitrierten Teilen gibt es heute keine allgemein anerkannten Regeln, nach denen aus der Dauerfestigkeit von Proben unter Berücksichtigung der Bauteileinflüsse, wie Größe, Geometrie, Belastungsart, Herstellungs-art, Oberfläche, Mittelspannung und Eigenspannung, die Bauteildauerfestigkeit abgeleitet werden kann. Da viele nitrierte Bauteile dauerfest ausgelegt werden, wurde in einem Forschungsvorhaben an Dimensionierungsrichtlinien gearbeitet, deren experimentelle Grundlage und Gestalt in dieser Veröffentlichung dargestellt werden. Im Rahmen des hier beschriebenen Projekts wurden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zur Bestimmung der Dauerfestigkeit gasnitrierter glatter und gekerbter Proben aus dem Stahl 31CrMoV9 durchgeführt. Auf der experimentellen Seite wurden insgesamt 23 statistisch abgesicherte Dauerfestigkeiten ermittelt, wobei in der Regel im Bereich der Dauerfestigkeit 20 bis 30 Proben geprüft wurden. Folgende Belastungsvarianten wurden untersucht: Zug-Druck-Belastung, Zug-Schwell-Belastung, Uml;aufbiegung und Wechseltorsion. Neben der Belastungsart wurde der Randschichtzustand im Hinblick auf die Dicke und Zusammensetzung der Verbindungsschicht und der Rauheit variiert. Im Fall der ungekerbten Wechseltorsionsproben wurde zusätzlich die Nitrierdauer variiert, um den Einfluss unterschiedlich dicker Diffusionsschichten auf die Torsionswechselfestigkeit zu untersuchen. Zur Berechnung der Dauerfestigkeit wurde das Konzept der örtlichen Dauerfestigkeit nach Velten sowie ein erweitertes Fehlstellenmodell angewendet.