Weiterentwicklung des maschinellen Oberflächenhämmerns zur Ausweitung des industriellen Einsatzgebietes
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, M.Sc. Peter Sticht, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, Technische Universität Darmstadt - Prof. Dr.-Ing. Volker Schulze, Dipl.-Ing. Alexander Klumpp, Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde, Karlsruher Institut für Technologie - Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Friedrich Bleicher, Dipl.-Ing. (FH), M.Sc. Stephan Krall, Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik, Technische Universität Wien
210 Seiten - 96,00 EUR (sw, 147 teils farbige Abb., 25 Tab.)
ISBN 978-3-86776-526-8
Zusammenfassung
Im Rahmen des CORNET-Projekts „HaPTec" wurde ein Beitrag zur Erweiterung des Ein-satzgebiets des maschinellen Oberflächenhämmerns (MHP) im industriellen Umfeld gegeben. Nach Definition von Anwendungsrichtlinien für die MHP-Prozesse wurde ein Benchmark durchgeführt, der durch Vergleich der verschiedenen MHP-Systeme mit den etablierten Verfahren Kugelstrahlen, Festwalzen und Diamantglätten die zu hebenden Potentiale sowie mögliche Alleinstellungsmerkmale des maschinellen Oberflächenhämmerns aufzeigt.
Weiterhin wurde ein experimenteller Benchmark durchgeführt, in welchem alle beteiligten Verfahren einem Vergleich hinsichtlich der Einstellbarkeit relevanter Oberflächencharakteristika (Rauheit, Härte, Eigenspannungen) unterzogen wurden. Durch Entwicklung einer Finite-Elemente (FE)-Simulationsumgebung sowie eines Werkzeugs auf Basis der Ähnlichkeitsmechanik wurde ein Beitrag zur Vorhersagemöglichkeit von Randschichtzuständen nach maschinellem Oberflächenhämmern gegeben.
Hierbei wurden sowohl die Möglichkeiten als auch die Grenzen der Vorhersage aufgezeigt. Ferner wurden Maßnahmen entwickelt, um schwer zugängliche Bereiche mit einer modifizierten Kinematik bearbeiten zu können, wofür ein neues Hämmerwerkzeug entwickelt und optimiert wurde. Weiterhin wurden die Randbedingungen für die erfolgreiche Integration der MHP-Verfahren in Bearbeitungssysteme definiert und Lösungen erarbeitet.
Dies betrifft insbesondere die Integration in Robotersysteme mit geringer Traglast. Basie-rend auf Bearbeitungsergebnissen verschiedener, industrierelevanter Materialien (Zamak, Al2024, 42CrMo4, WC-Co) mit Härten zwischen 120 und 960 HV unter Verwendung ver-schiedener Hammerkopfmaterialien und -geometrien wird ein Materialkatalog erstellt und abschließend eine Anwendungsrichtlinie entwickelt, die eine präzise Durchführung der MHP-Prozesse ermöglichen soll und somit potentiellen Anwendern als Leitfaden dienen kann.
Diese Anwendungsrichtlinie unterstützt bei der Inbetriebnahme von MHP-Systemen und bei der Einstellung von Parametern in Abhängigkeit des zu behandelnden Materials.
Das IGF-Vorhaben „Weiterentwicklung des maschinellen Oberflächenhämmerns zur Ausweitung des industriellen Einsatzgebietes" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 140EN CORNET über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des CORNET - European Research Programme "HaPTec: Further qualification of machine hammer peening technology for industrial use" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 475 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich. |  |
Summary
The objective of the CORNET project „HaPTec" is the further qualification of machine hammer peening (MHP) technologies for industrial use. After definition of a catalogue of criteria for the use of MHP processes, a benchmark is carried out to allow for comparing MHP with conventional and industrially established processes (shot peening, deep rolling and diamond finishing).
By this means, potentials as well as unique selling positions of MHP treatments can be concretized and tool manufacturers can be provided precise criteria for the adaption of existing tools and further tool development.
Furthermore, an experimental benchmark is performed to check how relevant surface characteristics can be affected by each treatment. Predictability of surface layer states obtained by MHP is developed using finite element (FE) simulation as well as similarity mechanics based on Buckingham's p-theorem.
Chances and limitations of such tools are investigated. Measures have been taken to enable MHP treatment of hardly reachable regions, such as bore holes and undercuts. Therefore, a new tool for such treatments is developed and optimized. Furthermore, the boundary conditions for the integration of MHP into robot systems are investigated and solutions presented. Based on results of MHP treatments of different materials reaching from hardness of 120 to 960 HV (Zamak, Al2024, AISI4140 / 42CrMo4, WC-Co), a material catalogue of "hammerable" materials is created.
Eventually, guidelines for the industrial application of MHP are established, giving potential users an efficient choice of process parameters and machining strategies.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
1. Einleitung
1.1. Ausgangssituation und Motivation
1.2. Zielsetzung
1.3. Projektteilnehmer
1.3.1. Europäische Forschungsvereinigung für Blechverarbeitung e.V. (EFB)
1.3.2. ecoplus. Niederösterreichs Wirtschaftsagentur GmbH
1.3.3. Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde (IAM-WK)
1.3.4. Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU)
1.3.5. Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik (IFT)
1.3.6. Industrieunternehmen
2. Stand der Technik
2.1. Grundlagen des maschinellen Oberflächenhämmerns
2.1.1. Einglättung
2.1.2. Härtesteigerung
2.1.3. Druckeigenspannungen
2.1.4. Verfahrensparameter
2.2. Werkzeuge
2.2.1. Pneumatische Hämmersysteme
2.2.2. Piezo Peening
2.2.3. Elektromechanische Hämmersysteme
3. Vorgehensweise
3.1. AP1 Kriterien zur industriellen Anwendung (PtU)
3.2. AP2 Benchmarkversuche Oberflächenbehandlung (IAM-WK)
3.3. AP3 Analyse der Mechanismen zur Oberflächenmodifikation (IAM-WK)
3.4. AP4 Maschinelles Hämmern schwer zugänglicher Oberflächenbereiche (PtU)
3.4.1. AP4.1 Entwicklung einer Hämmerkinematik
3.4.2. AP4.2 Grundlagenversuche an Basisgeometrien
3.4.3. AP4.3 Versuche mit gehämmerten Experimentalwerkzeugen
3.4.4. AP4.4 Versuchsdurchführung im industriellen Umfeld
3.5. AP5 Erstellung eines Materialkataloges (IAM-WK)
3.6. AP6 System und Prozessintegration (IFT)
3.6.1. AP6.1
3.6.2. AP6.2
3.6.3. AP6.3
3.6.4. AP6.4
3.6.5. AP6.5
3.7. AP7 Richtlinien zur Anwendung des maschinellen Oberflächenhämmerns (IFT)
3.7.1. AP7.1
3.7.2. AP7.2
3.7.3. AP7.3
3.8. AP8 Veröffentlichung und Abschlussbericht (PtU)
4. Ergebnisse
4.1. AP1 Kriterien zur industriellen Anwendung (PtU)
4.2. AP2 Benchmarkversuche (IAM-WK)
4.2.1. Experimentelle Benchmark-Analyse
4.2.2. Verfahrensvergleich
4.3. AP3 Analyse der Mechanismen zur Oberflächenmodifikation (IAM-WK)
4.3.1. Ergebnisse der Materialparameterbestimmung
4.3.2. Simulationsergebnisse
4.3.3. Ergebnisse der Vorhersage von Randschichtzuständen mittels Ähnlichkeitsmechanik
4.4. AP4 Maschinelles Hämmern schwer zugänglicher Oberflächenbereiche (PtU)
4.4.1. AP4.1 Entwicklung einer Hämmerkinematik
4.4.2. AP4.2 Grundlagenuntersuchungen an Basisgeometrien
4.4.3. AP4.3 Umformversuche mit gehämmerten Werkzeugen
4.4.4. AP4.4 Bearbeitung von Fließpressmatrizen im industriellen Umfeld
4.5. AP5 Erstellung eines Materialkataloges (IAM-WK)
4.5.1. Ergebnisse für Zamak
4.5.2. Ergebnisse für Al2024
4.5.3. Ergebnisse für 42CrMo4
4.5.4. Ergebnisse an WC-Co
4.6. AP6 System. und Prozessintegration (IFT)
4.6.1. Benchmark pieces
4.6.2. Untersuchung des Einflusses der Werkzeugmaschine auf die Prozessqualität
4.6.3. Untersuchung des Einflusses von Robotersystemen auf die Prozessqualität
4.6.4. Entwicklung einer erweiterten Aktuatorsteuerung
4.6.5. Erweiterung der Prozessgrenzen unter Anwendung des neuen Steuerungskonzepts
4.7. AP7 Richtlinien zur Anwendung des Maschinellen Oberflächenhämmerns (IAM-WK)
4.7.1. Benchmark Bauteile
4.7.2. Evaluation der erreichten Prozessoptimierung
4.7.3. Erstellen von Anwendungsrichtlinien
5. Literaturverzeichnis
