Gezielte Erzeugung und Stabilisierung von Eigenspannungen in austenitischen Tellerfedern durch inkrementelle Umformung und integrierte Randzonenbeeinflussung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Buhl; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 372823079

Technologisches Ziel des Projekts ist es, die inkrementelle Blechumformung (IBU) für die Herstellung von Tellerfedern und die integrierte Einstellung von Eigenspannungen zu erforschen, um verbesserte Federeigenschaften und hohe zyklische Leistungsfähigkeit zu erreichen. Die gezielte Einstellung von Eigenspannungen während des Formgebungsprozesses führt zu besseren Federeigenschaften, der Eliminierung von Kugelstrahloperationen und ermöglicht die flexible Herstellung von Sonderfedern bzw. Miniaturisierung von Federn. Nach DIN 2092 bestimmen die Tangentialspannungen die Federkraft von Tellerfedern im Betrieb. Durch die gezielte Einstellung von Druckeigenspannungen treten die federkraftbegrenzenden radialen Zugspannungen im Betrieb deutlich später auf. Bei metastabilen austenitischen Federstählen führt der lokale Kontakt zusätzlich zur Martensitbildung in der Randzone, der weitere Druckeigenspannungen induziert.Bislang wurden die Versuchsaufbauten und Vorrichtungen, mikromagnetische Methoden und Simulationsmethoden erfolgreich entwickelt und validiert. Ein breites Spektrum von Prozessparametern wurde experimentell hinsichtlich der gezielten Eigenspannungserzeugung und Eigenschafts-Verbesserung charakterisiert. Eine Steigerung der Druck-Eigenspannungen und Stabilisierung bei Randschichtbeeinflussung und weitere deutliche Verbesserungen wurden über die direkte Herstellung mit der inkrementellen Umformung im Vergleich zu konventionellen Federn nachgewiesen. Ein Nachteil der IBU ist die hohe Prozesszeit. Schnellere IBU-Umformung führt zur Erhöhung der Blechtemperatur auf über 100°C, was als Störgröße identifiziert wurde und die Eigenspannungs- und Martensitentwicklung beeinflusst.Hochleistungstellerfedern werden unter verschiedenen mechanischen Lastzyklen und Temperaturen von -60 bis 250°C eingesetzt. Technologisches Ziel in der dritten Phase ist es, Materialschwankungen durch temperaturgeregelte, schnelle inkrementelle Umformverfahren gezielt auszugleichen und eine gewünschte Federkennlinie einzustellen, die eine optimierte Stabilität unter schwingender Belastung aufweist. Im Sinne der Programmziele zielt die dritte Antragsphase daher darauf ab, 1) den IBU-Prozess trotz hohen Umformgeschwindigkeiten isotherm (Minimierung der Störgröße „Temperatur“) zu gestalten und die damit verbundene Werkzeugtechnik auszulegen, sowie über ein Prognosemodell die Umformparameter basierend auf Prozesskraft und Martensitgehalt optimal auf Materialschwankungen einzustellen, 2) mithilfe eines Multisensors eine in-situ Eigenspannungen-Messung anhand mikromagnetischer Messverfahren zu entwickeln und diese als Condition-Monitoring für die Eigenschaftsveränderung unter spezifischen Betriebsbedingungen zu verwenden, und 3) ein schwarzes Prognosemodell für die Eigenschaftsverbesserung bzw. -entwicklung durch gezielt eingebrachte Eigenspannungen in federharten, austenitischen Werkstoffen für den Betrieb der Tellerfedern unter niedriger und erhöhter Temperatur zu erstellen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2013: Gezielte Nutzung umformtechnisch induzierter Eigenspannungen in metallischen Bauteilen