Kugelstrahlen Steigerung der Schwingfestigkeit von Verzahnungen
Alfred Sollich ZF Friedrichshafen AG, Zentrale Forschung&Entwicklung, Leiter Werkstoffanwendung und -festigkeit ZF TW-F 1/10
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Festkolloquium Braunschweig 2011
Kugelstrahlen Steigerung der Schwingfestigkeit von Verzahnungen
Über ZF in Kürze die zentrale Werkstofftechnik bei ZF verzahnte Bauteile bei ZF
Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Theorie Auswirkung vom Kugelstrahlen in der Randschicht Modelle zur Schwingfestigkeit
Kugelstrahlen in ZF-Normung Reproduzierbarkeit von Eigenspannungsmessungen und Strahlbehandlungen Weitere Steigerung der Schwingfestigkeit durch Kugelstrahlen
ZF TW-F
Alfred Sollich 2/35
Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
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Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Praxis
Über ZF in Kürze
Antriebs- und Fahrwerkssysteme Umsatz 2010: 12,9 Mrd € 65.000 Personen
Autozulieferer #3 in Deutschland, #9 weltweit ZF TW-F
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120 Produktionsgesellschaften in 25 Ländern
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Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
Die Zentrale Werkstofftechnik bei ZF
Fachgebiete
Zeitablauf
Oberflächen
für ZF gesamt
Werkstoffentwicklung
für Unternehmensbereiche und Geschäftsfelder
Auswahl, Spezifikation
für Eigen- und Fremdfertigung
Prozessüberwachung
für ZF-Kundendienst
Anwenderberatung
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Verfahren
Stahl Werkstoff- Leichtmetalle Analytik prüfung Schmierstoffe Kunststoffe
Verzahnte Bauteile bei ZF Beispiel: NKW-Getriebe
automatisches 16-Gang Getriebe für schwere LKW und Busse
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Einsatzstahl: 5 Wellen, 24 Zahnräder, Planetenträger...
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Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
Verzahnte Bauteile bei ZF Das Spektrum von Verzahnungen • wenige Gramm bis > 1000 kg • Einsatz-Härtungs-Tiefe 0,05 mm - 2,5 mm
Für unser Geschäft
- sind Wärme- und Nachbehandlungen Kerntechnologien ZF TW-F
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- sind Zahnräder und Wellen Kernbauteile,
Verzahnte Bauteile bei ZF Werkstoffauswahl
ZF1A
40
18CrNiMo7-6 modifiziert
ZF7B 20MnCr5 modifiziert
35
en t s 20MnCr5 modifiziert o k ff o ZF6 st k 16MnCr5 modifiziert er W
→
ZF7
30
25 10
20
30
40
60
80 100
200
Durchmesser [mm] Für jede Bauteilgröße gleiche Belastbarkeit MC-M-#: tw_401_XX_de
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Härtbarkeit bei J10 [HRC]
45
Verzahnte Bauteile bei ZF Prüfung von Zahnflankentragfähigkeit und/oder Zahnfußfestigkeit
1 Prüfritzel 2 Prüfrad 3–8 Prüfstandsteile
Prüfritzel in einem Verspannungsprüfstand für Lastlaufversuche → Versuchsziel: Tragfähigkeit im Laufversuch; Wöhlerlinien
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Beispiel-Schadensbild Flanke
Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
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Quelle: FZG Verspannungsprüfstand
Verzahnte Bauteile bei ZF
Prüfrad in Pulsatorversuch
Beispiel-Schadensbild Fuß
→ Versuchsziel: Zahnfuß-Wöhlerlinie
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Prüfung von Zahnfußfestigkeit
Kugelstrahlen Steigerung der Schwingfestigkeit von Verzahnungen
Über ZF in Kürze
Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Theorie Auswirkung vom Kugelstrahlen in der Randschicht Modelle zur Schwingfestigkeit
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Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Praxis
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Auswirkung vom Kugelstrahlen
Hertz‘sche Pressung
σz(x) σx(x)=σy(x)
εr(x)
τmax
σES(x)
x
*) B. Scholtes
Oberflächennahe Druckeigenspannungen σES(x) Restaustenit Festigkeit (Versetzungs-Verfestigung)
Steigerung der Schwingfestigkeit ZF TW-F
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Oberflächenrauheit
Auswirkungen vom Kugelstrahlen z.B. Eigenspannungen an der Oberfläche
+ -830
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nein
Glasperlen Glasperlen (2. Strahlen)
0,15 0,25 0,35 Intensitaet StrahlIntensität
ZF 1A
ZF 7
StrahlgutW erkstoff Werkstoff
Vorbehandlung Vorbehandlung
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ja
Schleifen
0,5 0,6 0,7 Durchmesser StrahlkornDurchmesser
Sandstr
-
ohne
Druck-Eigenspannungen σES,I ( MPa)
Ergebnisse einer DoE-Versuchsdurchführung
Auswirkungen vom Kugelstrahlen Ergebnisse einer DoE-Versuchsdurchführung 0
40
-200
35
-400
30
-600
25
-800
20
-1000
15
-1200 -1400
10
-1600
5
-1800
0
Restaustenitgehalt RA in Vol.-%
Eigenspannungen σ
ES,I
in MPa
Ausgangszustand, einsatzgehärtet
Oberflächenabstand in mm
Glasperlen StrahlkornDurchmesser (2. Strahlen)
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StrahlIntensität
Vorbehandlung
StrahlgutWerkstoff
Programm
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0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Modelle zur Schwingfestigkeit Lokales Werkstoffmodell auf Basis FVA 369 und ZF modifiziert
Rissinitiierung (Kontinuumsmechanik)
ao
Rissfortschritt (Bruchmechanik)
Crack Initiation and Propagation Model (CIP)
Für Risse von der © ZF Friedrichshafen AG
Oberfläche
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Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Randoxidationstiefe a0
Eigenspannungen σES,I(x)
Wechselfestigkeit σw (x)
Mittelspannungsempfindlichkeit M (x)
Schwellwert der Spannungsintensität ∆Kth (x)
Beanspruchung
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Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Randoxidationstiefe a0
3 RO-Tiefe in µm aus Mn-Verlauf = 4,5 Si-Verlauf = 4,3
10µm ZF2003H1_001649
oder Troostitsaum
Konzentration ininMa.% Konzentration Ma.%
Randoxidation 2,5
C Si Mn Cr
2 1,5 1 0,5 0 0
20µm
10
20
30 Tiefe in µm
40
50
Oberflächenabstand x in mm
ZF2003H1_001652
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60
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Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Randoxidationstiefe a0
Eigenspannungen σES,I(x)
Wechselfestigkeit σw (x)
Mittelspannungsempfindlichkeit M (x)
Schwellwert der Spannungsintensität ∆Kth (x)
Beanspruchung
ZF TW-F
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Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Eigenspannungen σES,I(x)
Eigenspannungen σ
ES,I
in MPa
0 -200
Zahnhöhenrichtung
ungestrahlt
-400 -600 -800
gestrahlt, mit Parametervarianten
-1000 -1200 -1400 0,00
0,05
0,10
0,15
Oberflächenabstand inxmm Oberflächenabstand in mm ZF TW-F
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Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Randoxidationstiefe a0
Eigenspannungen σES,I(x)
Wechselfestigkeit σw (x)
Mittelspannungsempfindlichkeit M (x)
Schwellwert der Spannungsintensität ∆Kth (x)
Beanspruchung
ZF TW-F
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Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen:
σw (x)
1000
Härte Wechselfestigkeit
900 800 700
800
600 500
600
400
400
300 200
Umrechnung aus der lokalen Härte
200
100
nach Bergmann und Thumser
0 0,0
1,0
2,0
0 3,0
Oberflächenabstand Tiefe in mmx in mm ZF TW-F
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1200
Wechselfestigkeit in MPa
z.B. Wechselfestigkeit
Härte in Härte in HV0,1 HV01
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen: Randoxidationstiefe a0
Eigenspannungen σES,I(x)
Wechselfestigkeit σw (x)
Mittelspannungsempfindlichkeit M (x)
Schwellwert der Spannungsintensität ∆Kth (x)
Beanspruchung
ZF TW-F
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Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Einflussgrößen:
Beanspruchung maximale Hauptnormalspannung σ1(x) aus FE
ZF TW-F
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0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
0
1 2 Tiefe x in mm
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3
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Lastspannung σ1(x) / σ1(0)
1,0
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP)
Rissausbreitung von der Randoxidation
Rissinitiierung Rissfortschritt (Riss ausgehend von der Oberfläche)
2000
1500 Rissinitiierung an der perfekten Oberfläche, ohne Randoxidation (ROX)
1000
500 XRO
0 0,00
0,01
Rissinitiierung und Rissfortschritt bezogen auf Oberflächenlastspannung 0,02
0,03
0,04
0,05
Risstiefe in mm ZF TW-F
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0,06
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kritische Zahnfuß-Spannung an der Oberfläche
in MPa
2500
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) Verleich ZF-CIP-Berechnungs-Modell mit Versuch I
Eigenspannungen →
Eingangsgrößen Modell:
Versuchsergebnisse:
10µm
Oberflächenabstand →
Härte
mechanische Eigenschaften
Wechselfestigkeit →
Härte →
Wechselfestigkeit
Vergleich
Schwingspielzahl N →
Beanspruchung
Oberflächenabstand →
ZF TW-F
Alfred Sollich 26/35
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Eigenspannungen
Schwelllast →
Randoxidation
Modelle zur Schwingfestigkeit Crack Initiation and Propagation Model (CIP) +20%
nicht konservativ 2000
-20%
Mit: M = tiefenabhängig ∆kth = tiefenabhängig σW = tiefenabhängig nach Bergmann und Thumser
1000
konservativ
Nächster Schritt: Berücksichtigung des
σF0(FE),ber. = 0,75 * σF0(FE),exp.
Größeneinflusses
0 0
1000
2000
3000
σF0(FE) (expermimentell) in MPa ZF TW-F
Alfred Sollich 27/35
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σF0(FE) (berechnet) in MPa
3000
Verleich ZF-CIP-Berechnungs-Modell mit Versuch II
Kugelstrahlen Steigerung der Schwingfestigkeit von Verzahnungen
Über ZF in Kürze
Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Theorie
Kugelstrahlen in ZF-Normung Reproduzierbarkeit von Eigenspannungsmessungen und Strahlbehandlungen Weitere Steigerung der Schwingfestigkeit durch Kugelstrahlen
ZF TW-F
Alfred Sollich 28/35
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Kugelstrahlen von verzahnten Bauteilen in der Praxis
Kugelstrahlen in ZF-Normen Verfahren zum Kugelstrahlen und Anwendung bei Verzahnungen Verfahren zum Kugelstrahlen – Verfestigungsstrahlen (nach ZFN161) Schleuderradstrahlen
Druckluftstrahlen
Vorteile: • sehr wirtschaftlich • großer Durchsatz
Vorteile: • hohe Flexibilität • lokal variierbar • Glasperlenstrahlen möglich
Anwendung bei Verzahnungen (nach ZFN161)
ZF TW-F
Anwendungsbereich
Kurzzeichen
bei Laufverzahnungen
Alfred Sollich 29/35
Wirkung
Y
ZAHNFUSS
Erhöhung der Zahnfußfestigkeit
Z
ZAHNFLANKE
Erhöhung der Flankentragfähigkeit
Y+Z
ZAHNFUSS und ZAHNFLANKE (Standardeintrag für geschabte Verzahnungen)
Erhöhung der - Zahnfußfestigkeit und - Flankentragfähigkeit
Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
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Behandlungszustand
Kugelstrahlen in ZF-Normen Vorgaben für Verfestigungsstrahlen in ZF Norm Verfestigungsstrahlen nach ZFN 161 Soll-Kriterien
Festlegungen, z.B.:
Strahlintensität
Almenwerte (Streubänder), abhängig von der Härte des Bauteils
Strahlmittel
- arrondiertes Drahtkorn - Nennkorndurchmesser
Eigenspannungszustand
ZF TW-F
Alfred Sollich 30/35
Eigenspannungstiefenverläufe: - im Fall von Fremdfertigung - im Fall von Strahl-Maschinenfreigabe
Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
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- Betriebsgemische (Strahlkorngrößen) Prüfung der Strahlbedingungen - Almen-Messbedingungen
Kugelstrahlen in ZF-Normen Vorgaben für Eigenspannungen
Ist
Anforderungen nach ZFN161
Ergebnis einer Reihenuntersuchung von ZF-Standorten
Mindestdruckeigenspannung Neue Schiedsfall Strahlmaschine
Messstelle
2
-200 N/mm
2
Oberfläche
-250 N/mm
in 20 µm Tiefe
-600 N/mm
2
-550 N/mm
2
in 50 µm Tiefe
-600 N/mm
2
-550 N/mm
2
200 0
nur einsatzgehärtet
-200 Kugelgestrahlt: Streubereich Eigenspannungsmesswerte
-400 -600
Standardabweichung (±1 x σ)
-800 -1000 -1200 0
0,02
0,04
0,06
0,08
Abtragstiefe (mm)
ZF TW-F
Alfred Sollich 31/35
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Messrichtung
Eigenspannungen (N/mm2)
Soll
0,1
Kugelstrahlen in ZF-Normen Messung von Eigenspannungen mittels Röntgen-Diffraktometer Messrichtung
Messort:
>
ψ= 45°
R
ψ= 45°
so
x-ray beam ψ= 0° ψ= - 45°
oder so
x-ray beam ψ= 0° ψ= - 45°
Bei randschichtgehärteten und gestrahlten Segmenten ist kein signifikanter Einfluss der Probenpräparation erkennbar. ZF TW-F
Alfred Sollich 32/35
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Heraustrennen der Probe:
R
R : Fußausrundungsradius
Messort
Reproduzierbarkeit der Strahlbehandlungen
170 160
mittlerer Festigkeitsgewinn durch Strahlen ca. 40% (Standardabweichung ca. 3%)
150 140 130 120 110 100
unterschiedliche ZF Werke
ZF TW-F
Alfred Sollich 33/35
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90
ni ch tg es tra hl t U B1 :V 1 U B1 :V 2 U B1 :V 3 U B1 :V 4 U B1 :V 5 U B1 :V 6 U B2 :V 1 ex U B2 te rn :V er 2 Li ef er an t
relative Zahnfußdauerfestigkeit in %
Ringversuch an unterschiedlichen ZF-Standorten
Weitere Steigerung der Schwingfestigkeit durch Duo-Strahlen Duo-Strahlen - ein zweistufiger Kugelstrahlprozess
1. Stufe: Kugelstrahlen; z.B. Stahl-Drahtkorn, gestrahlt mit Schleuderradmaschine
2. Stufe: Glasperlenstrahlen; gestrahlt mit Druckluftmaschine
Zahnfußfestigkeit von unterschiedlich behandelten Planetenrädern aus ZF7B Fuß-geschliffen + duo-gestrahlt
+66%
reinigungsgestr. + duo-gestrahlt
+60%
Fuß-geschliffen + Standardverf.
+45%
duo-gestrahlt
+38%
ZF- Norm (Standardverfahren) ungestrahlt
100% 0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200
relative Dauerfestigkeit in % ZF TW-F
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+54%
Kugelstrahlen bei ZF - Zusammenfassung und Motivation Kugelstrahlen steigert die Schwingfestigkeit im Zahnfuß besonders Die Schwingfestigkeitssteigerung wird bei Auslegung berücksichtigt Der Kugelstrahlprozess ist durch ZF-Normen abgesichert: Vorgaben für Maschineneinstellungen bei ZF interner Fertigung Vorgaben für Druckeigenspannungen bei externer Fertigung Zusätzlich ist die Schwingfestigkeit zu steigern, durch Duo-Strahlen
Kugelstrahlen sorgt für Leichtbau, für bessere Werkstoffausnutzung und für deutlich verminderte Streuungen der Leistungsfähigkeit von Verzahnungen ZF TW-F
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Kugelstrahlen erhöht die Schwingfestigkeit von Verzahnungen, März 2011
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Motivation:
