Investigations on tailored forming components as tribologically loaded machine elements

Abstract

To fulfil future trends of machine elements, the surface and part properties need to be enhanced. To advance machine elements, the application of tailored forming technology offers new possibilities. With this approach, it is possible to design and manufacture machine elements consisting of two or more different metallic materials with improved performance and functionality specially adapted to their respective application. The process chain starts with the joining of different materials to multi-metal work pieces, which are subsequently formed close to the final contour. The properties of the joining zone can be improved by thermal and mechanical treatment accompanying the forming process.

Exemplary multi-metal components with a boundary zone subjected to rolling contact fatigue were investigated. Thus, an axial bearing, a shaft with an integrated raceway, a bearing bushing/angular contact ball bearing and a bevel gear wheel were in the focus of this research. Here, the highly stressed areas are reinforced with a higher strength material, while the rest of the part consists of a lower grade material. In case of the shaft, the raceway acts like the inner ring of a bearing and should resist rolling contact fatigue and mechanical wear. The process route was set up and simulations regarding the fatigue life in dependence of the layer thickness of the material acting as raceway were performed. First fatigue tests were executed to prove the reliability of the described concept.

Zusammenfassung

Um zukünftige Trends zur Weiterentwicklung von Maschinenelementen zu erfüllen, müssen die Oberflächen- und Bauteileigenschaften verbessert werden. Um Maschinenelemente weiter zu optimieren, bietet der Einsatz von Tailored Forming neue Möglichkeiten. Mit diesem Ansatz ist es möglich, Maschinenelemente aus zwei oder mehr Metallen mit verbesserter Leistung und Funktionalität auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt herzustellen. Die Prozesskette beginnt mit der Verbindung verschiedener Werkstoffe zu einem hybriden Werkstück, das anschließend zur Endgeometrie umgeformt wird. Die Eigenschaften der Fügezone können durch den Umformprozess sowie durch Wärmebehandlung und mechanische Nachbearbeitung verbessert werden.

Im Rahmen des Projektes werden exemplarisch Tailored Forming Bauteile bei Wälzkontaktermüdung untersucht. So standen ein Axiallager, eine Welle mit integrierter Laufbahn, eine Lagerbuchse bzw. Schrägkugellager und ein Kegelrad im Mittelpunkt dieser Forschung. Bei diesen Bauteilen werden die hochbeanspruchten Bereiche mit einem höherfesten Werkstoff verstärkt, während der Rest des Bauteils aus einem kostengünstigen und einfach zu verarbeitenden Werkstoff besteht. Besonderes Augenmerk wird auf die notwendige Materialstärke und die Integrität der Fügezone gelegt. Bei dem Beispiel der Welle wirkt die Laufbahn als Innenring eines Lagers und sollte der Wälzkontaktermüdung, mechanischen Verschleiß und Lastspannungen widerstehen. Dieses Maschinenelement weist verschiedene Anforderungen in einem Bauteil auf, wie z. B. Widerstand gegen strukturelle Belastungen und eine Oberfläche unter zyklischer Wälzkontaktermüdung. Das Grundmaterial kann nach Gewicht und Kosten ausgewählt werden, wenn grundsätzliche Anforderungen an die Gestaltfestigkeit erfüllt sind. Erste Ermüdungsversuche wurden durchgeführt, um die Zuverlässigkeit des beschriebenen Konzepts nachzuweisen.