Determination of process limits for the reconditioning of worn-out gear wheels by precision postforming at elevated temperatures
Final Report Abstract
Zu Beginn des Projektes wurden Werkzeuge für das Präzisionsschmieden und Nachformen konstruiert. Dafür wurden die Matrizen mit Hilfe eines Matlab-Programms unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung und des Materialabtrags durch nachträgliches Schleifen ausgelegt. Bei einer Analyse der Prozessschritte wurde das Präzisionsschmieden der ursprünglichen Zahnräder aus mangelnder wissenschaftlicher Relevanz nicht weiterverfolgt. Die Zahnräder wurden anschließend spanend gefertigt. Im darauffolgenden Schritt wurde Formänderungsuntersuchungen an vergüteten und einsatzgehärteten Stahlwerkstoffen 42CrMo4 und 16MnCr5 im Stauchversuch durchgeführt. Dabei wurden die Erwärmungsund Abkühlverfahren variiert, sowie die Temperatur und der Umformgrad. Anhand von Härteverlaufsmessungen wurden Einhärtetiefen bestimmt. Als Referenz wurde das Prüfritzel vom Typ FZG-C-PT verwendet. Durch die zu geringe Einhärtetiefe wurde der 16MnCr5 für die weitere Verwendung ausgeschlossen. Für den Werkstoff 42CrMo4 konnten zwei Prozessrouten identifiziert werden. Zum einen eine Ofenerwärmung auf 900 °C mit Wasserabkühlung oder eine Induktionserwärmung auf 700-800 °C mit Wasserabkühlung. Anschließend wurden Ritzel aus 42CrMo4 angefertigt und Schädigungen in einem Verspannungsprüfstand eingebracht. Die sich daraus ergebenden Differenzgewichte und Differenzvolumen wurden als Referenz für Schädigungen verwendet. Die Schädigungen wurden anschließend in Zahnräder manuell eingebracht und bildeten Schädigungen wie Abrasion und Pitting nach. Ein passendes Temperaturfenster für die Präzisionsnachformung wurde in Versuchen zur Entwicklung einer induktiven Erwärmungsstrategie bestimmt. Aufgrund der ungleichen Massenverteilung am Zahnumfang, wurde die Wärme aus dem Bereich der Bohrung induktiv eingebracht. Anhand von lokalen Temperaturmessungen konnte festgestellt werden, dass eine Temperatur von 700 °C im Zahnkopf erreicht werden kann. Die Zieltemperatur von 800 °C konnte im Zahnkopf nicht erreicht werden. Durch die erhöhte Temperatur im Bereich der Bohrung fand eine Gefügeumwandlung oberhalb von Ac1 statt. Dadurch verschlechterte sich die Wärmeleitung und es konnte nicht genügend Energie zugeführt werden, um 800 °C am Zahnkopf erreichen zu können. Für die Präzisionsnachformung wurden die Prozessparameter auf Grundlage der zuvor durchgeführten Untersuchungen gewählt. Die induktive Erwärmung wurde aufgrund der nicht reproduzierbaren automatisierten Handhabung ausgeschlossen und die Versuche beschränkten sich auf den manuellen Betrieb aus einem Kammerofen. Zunächst wurde der Prozess simuliert. Die Simulation ergab, dass selbst bei einer höheren Temperatur von 1200 °C eine Kraft von ca. 5 MN erforderlich ist, um eine volle Formfüllung zu erreichen. Zudem zeigte sie auf, dass es an den Zahnspitzen zu einer Unterkühlung durch den Werkzeugkontakt kommt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse sollte zumindest eine teilweise Formfüllung erreicht werden. Mit Prüfritzeln aus EN-AW 7042 wurde der Prozess zunächst erprobt. Es konnte damit keine Formfüllung erreicht werden. Durch die erhöhte Temperatur von 1200 °C bildete sich Zunder, der sich Nachteilig auf die Oberflächen auswirkte. Durch das Abplatzen oder Eindrücken des Zunders wurde die Oberfläche zusätzlich geschädigt. Es konnte schon bei der erhöhten Temperatur von 1200 °C erkannt werden, dass keine ausreichende Ausformung der geschädigten Stellen stattgefunden hat. Daraufhin wurden keine weiteren Untersuchungen bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt, da eine Formfüllung und damit wissenschaftlichen Erkenntnisse nicht zu erwarten waren. Zusammenfassend konnte das Projekt Erkenntnisse bei der Auslegung von Prozessen zur Präzisionsnachformung erzeugen. Die Ergebnisse aus den Formänderungsuntersuchungen konnten das Verständnis für die Werkstoffe 42CrMo4 und 16MnCr5 im Hinblick auf die Konservierung oder Wiederherstellung von Einhärtetiefen und Härteverläufen im Zusammenhang mit unterschiedlichen Erwärmungs- und Abkühlarten erweitern. Durch das erarbeiten einer Erwärmungsstrategie konnte eine Grenze zur induktiven Erwärmung von Zahnränder vom Typ FZG-C-PT bestimmt werden, welches als Grundlage für weitere wissenschaftliche Untersuchungen dienen kann. Basierend auf den hier ermittelten Grundlagen kann das Konzept der Nachformung unter Konservierung der Bauteileigenschaften auf einfachere Geometrien oder auf isotherme Anwendungen übertragen werden.
Publications
- „Process Development for the Remanufacturing of Geared Components“. Proceedings of the 9th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), 2019
Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Kuwert, P.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-60417-5_5) - „Experimental Process Design for Reclamation of Geared Components“, Production at the leading edge of technology: Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), 2020
Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Petersen, T.; Kuwert, P.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-62138-7_13)
