Randschichtverfestigung durch Hochdruck-Wasserstrahlen:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
1996
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Verein Deutscher Ingenieure: [Fortschrittberichte VDI / 2]
375 Berichte aus dem Institut für Fertigungstechnik und spanende Werkzeugmaschinen, Universität Hannover |
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| adam_text | Titel: Randschichtverfestigung durch Hochdruck-Wasserstrahlen
Autor: Kroos, Friedrich
Jahr: 1996
BERICHTE AUS DEM INSTITUT FÜR FERTIGUNGSTECHNIK UND SPANENDE WERKZEUGMASCHINEN UNIVERSITÄT HANNOVER PRODUKTIONSTECHNIK ,v.v. Iv.v! Dipl.-Ing. Friedrich Kroos, Wuppertal Randschichtverfestigung durch Hochdruck-Wasserstrahlen Fortschritt-Berichte VDI Reihe 2 : Fertigungstechnik Nr. 375 VDI VERLAG
V Inhaltsverzeichnis Seite Formelzeichen und Abkürzungen...........................VIII 1 Einleitung.............................................. 1 2 Stand der Kenntnisse .................................... 2 2.1 Einfluß der Randzoneneigenschaften und Kerben auf die Bauteilfestigkeit bei schwingender Beanspruchung................. 2 2.1.1 Eigenspannungen und Werkstoffzustand........................ 3 2.1.2 Kerbeinfluß ............................................. 8 2.1.2.1 Makrogeometrische Kerben ................................. 8 2.1.2.2 Mikrogeometrische Kerben................................. 11 2.1.3 Konzepte zur Beschreibung der Randzoneneinflüsse auf die Schwingfestigkeit ..................................... 13 2.2 Grundlagen für die technische Nutzung von Flüssigkeitsstrahlen hoher kinetischer Energie.................................. 15 2.2.1 Charakteristik von Flüssigkeitsstrahlen ........................ 15 2.2.2 Werkstoffanstrengung und -elgenschaftsänderung durch Einzel- und Mehrfachtropfenschlag ...................... 18 2.2.3 Hochdruck-Wasserstrahlen zur Oberflächenbehandlung............ 22 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung.......................... 24 4 Versuchsdurchführung, -Werkstoffe und -einrichtungen ......... 25 4.1 Versuchsdurchführung .................................... 25 4.2 Probengeometrien ....................................... 26 4.3 Versuchswerkstoffe ...................................... 27 4.3.1 Aluminiumlegierung AlMgSI 0,5.............................. 27 4.3.2 Vergütungsstahl Ck 45 N .................................. 28 4.3.3 Vergütungsstahl 42 CrMo 4 V............................... 29 4.3.4 Einsatzstahl 16 MnCr 5 E.................................. 31 4.3.4.1 Wärmebehandlung und Gefüge ............................. 31 4.3.4.2 Randzoneneigenschaften hartfeinbearbeiteter Oberflächen.......... 33 4.4 Strahlmedium .......................................... 34
4.5 Meßtechnik............................................ 35 4.5.1 Röntgenographische Feinstrukturanalyse....................... 35 4.5.2 Metallographische Untersuchungen, Härtemessungen und chemische Analysen .................................. 36 4.5.3 Beurteilung der Oberflächenmikrogeometrie..................... 37 4.5.4 Kraft- und Durchflußmessungen ............................. 38 4.5.5 Schwingfestigkeitsuntersuchungen ........................... 39 4.5.5.1 Umlaufbiegeprüfung...................................... 39 4.5.5.2 Zahnfußbiegeprüfung..................................... 39 4.6 Versuchsstand.......................................... 40 4.6.1 Hochdruck-Strahlanlage................................... 40 4.6.2 Strahldüsen............................................ 41
VI Inhaltsverzeichnis Seite 5 Eigenschaften und Wirkung von Freistrahlen ................. 43 5.1 Stell- und Systemgrößen des Hochdruck-Wasserstrahlens.......... 43 5.2 Grundlagen............................................ 44 5.3 Bestimmung der signifikanten Einflußgrößen.................... 46 5.3.1 Ausbildung von Freistrahlen................................ 46 5.3.2 Verschleiß der Strahldüsen................................. 49 5.3.3 Wirkung von Freistrahlen.................................. 52 5.4 Beschreibung der düsenspezifischen Einflußgrößen............... 54 5.4.1 Strömungsverluste in Düsen................................ 54 5.4.2 Abmessungen des integralen Strahlquerschnittes................. 55 5.4.3 Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt....................... 56 5.4.3.1 Eigenspannungsverteilung über dem Strahlquerschnitt............. 56 5.4.3.2 Lokale Durchflußmessungen................................ 59 5.4.4 Integrale Strahlkraft ...................................... 61 5.4.5 Energetische Betrachtungen................................ 62 5.4.6 Strahlausbildung und -Wirkung .............................. 65 5.5 Strahlwinkel............................................ 68 6 Werkstückseitige Einflußgrößen ........................... 70 6.1 Einfluß der Werkstoffestigkeit............................... 70 6.1.1 Normalisierter Werkstoffzustand (Ck 45 N) ..................... 70 6.1.1.1 Eigenspannungen ....................................... 70 6.1.1.2 Gefüge und Härte ....................................... 72 6.1.1.3 Oberflächenrauheit und Topographie.......................... 74 6.1.2 Vergüteter Werkstoffzustand (42 CrMo 4 V)..................... 75 6.1.2.1 Eigenspannungen ....................................... 75 6.1.2.2 Gefüge und Härte ........... 77 6.1.2.3 Oberflächenrauheit und Topographie.......................... 78 6.1.3 Einsatzgehärteter Werkstoffzustand (16 MnCr
5 E) ............... 80 6.1.3.1 Untersuchungen an randoxidierten Proben ..................... 80 6.1.3.2 Strahlversuche an elektrochemisch polierten Proben .............. 84 6.2 Einfluß der Randzoneneigenschaften vor dem Strahlen ............ 87 6.3 Eigenschaften des Eigenspannungs- und Verfestigungszustandes nach dem Hochdruck-Wasserstrahlen......................... 92 6.3.1 Makroeigenspannungen................................... 92 6.3.2 Versetzungszustand und Mikroeigenspannungen................. 95 6.4 Einfluß der Oberflächenfeingestalt auf die Strahlwirkung............ 98 6.5 Chemische Randzonenanalyse..............................100 6.6 Einfluß der Bauteilgeometrie auf die Wirkung des Hochdruck-Wasserstrahlens................................101 6.7 Strahlen unter Vorspannung................................105 7 Modellbildung .........................................107 7.1 Elementarprozeß........................................107 7.2 Statistische Prozeßcharakteristik.............................109
INHALTSVERZEICHNIS VN Seite 7.3 Modulation der Strahlwirkung ...............................111 7.4 Energieanteile beim Hochdruck-Wasserstrahlen..................113 7.5 Prozeßsicherheit ........................................116 7.6 Auslegung des Prozesses .................................117 8 Vergleichsuntersuchungen zum Kugelstrahlen ................119 8.1 Oberflächen- und Randzoneneigenschaften.....................119 8.2 Analogiebetrachtungen....................................124 9 Schwingfestigkeitsuntersuchungen.........................126 9.1 Umlaufbiegeversuche.....................................126 9.1.1 Normalisierter Werkstoffzustand (Ck 45 N) .....................126 9.1.2 Vergüteter Werkstoffzustand (42 CrMo 4 V).....................127 9.1.3 Einsatzgehärteter Werkstoffzustand (16 MnCr 5 E) ...............128 9.1.3.1 Untersuchungen an randoxidierten Proben .....................128 9.1.3.2 Untersuchungen an hartfeinbearbeiteten Proben ..................129 9.2 Bauteilähnliche Proben....................................132 9.2.1 Zahnräder mit Randoxidation im Zahnfußbereich.................132 9.2.2 Zahnräder mit Schleifkerben................................133 9.3 Bewertung der strahlbedingten Schwingfestigkeitssteigerungen.......135 10 Technologische und wirtschaftliche Bewertung des Hochdruck- Wasserstrahlens .......................................142 10.1 Randbedingungen hinsichtlich der Bauteilgeometrie................142 10.2 Werkstoff- und oberflächenspezifische Randbedingungen...........144 10.3 Beanspruchungsspezifische Randbedingungen ..................144 10.4 Anwendungspotentiale....................................145 11 Ausblick für verfahrensspezifische Entwicklungen .............147 12 Zusammenfassung......................................149 13 Literatur..............................................151
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