Anbieter zum Thema

IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

Renishaw GmbH

item Industrietechnik GmbH

JESSBERGER GmbH

Untersuchungen zum Abbau der Eigenspannungen

Zur Untersuchung der Wirkzusammenhänge zwischen anliegender Lastspannung und Eigenspannung wurde, wie gesagt, das neue in situ Zugmodul entwickelt. Diese Prüfmaschine ermöglicht die zyklische Zugbelastung eines Analogiebauteils innerhalb des Diffraktometers. Dadurch ist die Überlagerung der Lastzustände mit den Eigenspannungen messbar. Der graduelle Abbau der Eigenspannungen wird so in den kritischen ersten Belastungszyklen erfassbar. Die Prüfmaschine berücksichtigt dabei mehrere Anforderungen. Sie gewährleistet eine gleichmäßige Kraftübertragung auf die Probe, was zu einer homogenen Lasteinleitung führt. Gleichzeitig wird die Kraft mithilfe einer geeigneten Belastungseinrichtung präzise wirksam gemacht und eingestellt. Darüber hinaus wird der Röntgenstrahl nur geringfügig abgeschattet. Auch eine leicht zugängliche und zugleich geschützte Kabelführung wurde bei der Konstruktion berücksichtigt. Weil die Prüfmaschine für die röntgenographischen Messungen auf dem hochpräzisen Goniometer des Diffraktometers montiert und anschließend wieder demontiert werden muss, ist das Gesamtgewicht möglichst gering zu halten. In den ersten Belastungszyklen ist der Eigenspannungsabbau erwartungsgemäß am stärksten. Das Zugmodul erfasst also den Eigenspannungsabbau in den ersten kritischen Belastungszyklen präzise. Diese Erkenntnisse sind zwingend erforderlich, um Restlebensdauer-Modelle für Bauteile in sicherheitsrelevanten Anwendungen entwickeln zu können.

Das Prüfsystem für die Untersuchungen im Detail

Das CAD-Modell sowie die gefertigte Prüfmaschine sind in Bild 1 dargestellt. Die Zugprobe wird zur Untersuchung zwischen einem starren und einem flexiblen Joch eingespannt. Sie wird dann über austauschbare Klemmen fixiert, um eine Anpassung an unterschiedliche Probengeometrien zu ermöglichen. Beide Joche sind auf Gleithülsen montiert, um die Steifigkeit des Systems zu erhöhen. Die Bewegung des flexiblen Jochs erfolgt über ein Schneckengetriebe. Das Konzept erlaubt eine kompakte Bauweise und gewährleistet gleichzeitig eine zuverlässige Kraftübertragung. Das Schneckengetriebe wird von einem Motor des Typs Nema 23 angetrieben, wodurch sich kontrollierte und reproduzierbare Kräfte aufbauen lassen. Die Kraftmessdose ist hinter dem starren Joch angeordnet, um eine gut zugängliche Kabelführung zu erhalten. Für die Kraftmessung kommt eine Kraftmessdose des Typs ME KM16 zum Einsatz.

Zum gezielten Einbringen von Druckeigenspannungen in die oberflächennahe Randzone wird das mechanische Nachbearbeitungsverfahren Festwalzen eingesetzt. Hierbei wird eine keramische Kugel gegen die Oberfläche gepresst und über die Oberfläche gerollt. Der Edelstahl 17-4PH wurde mit einem Walzdruck von 100 bar festgewalzt. Die resultierenden Eigenspannungen werden jeweils entlang und quer zur Walzrichtung gemessen. Nach dem Festwalzen werden in Längsrichtung Druckeigenspannungen von σ_(ESP,längs) = -169 MPa und in Querrichtung σ_(ESP,quer) = -737 MPa gemessen (Bild 2a). Zur Validierung der Kraftübertragung wird im Röntgendiffraktometer anschließend die festgewalzte Probe mit einer statischen Last von 1.500 N untersucht (Bild 2b). Das entspricht einer Spannung von σ_Last ~ 125 MPa. Während die statische Kraft anliegt, zeigt sich eine Differenz von ∆σ ~ 100 MPa in Belastungsrichtung. Damit stimmt die berechnete Spannung unter Berücksichtigung der Messunsicherheit mit der gemessenen Spannung überein. Die Eigenspannungsmessung nach der Entlastung zeigt wieder Eigenspannungen von circa σ_(ESP,längs) ~ -170 MPa in Längsrichtung.

(ID:50987952)