Konzept zur eigenspannungsgerechten Produkt- und Prozesskettengestaltung autofrettierter Bauteile unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode

Abstract

Wesentliche Zielgrößen bei der Entwicklung und Konstruktion neuer Produkte und der Auslegung zugehöriger Herstellungsprozessketten sind die Schonung von Ressourcen sowie die effiziente Ausnutzung von Materialien. Dabei spielt das Einbringen sowie die Beherrschung von Eigenspannungen in die Randschicht von Werkstücken zur Erhöhung der Beanspruchbarkeit von Werkstoffen und Bauteilen eine wesentliche Rolle. Der finale Eigenspannungszustand ist das Resultat komplexer Wechselwirkungen entlang der Fertigungsprozesskette. In dieser Arbeit werden aus Ergebnissen empirisch-numerischer Prozesskettenanalysen an zwei repräsentativen Geometrien – einem dickwandigen Hohlzylinder und einem Hochdruck-Verteilerblock mit T-förmiger Bohrungsverschneidung – neue Finite-Elemente-Modelle zur Vorhersage von Verformungen und Formänderungen sowie Eigenspannungseinbringung und –umlagerung entwickelt. Mithilfe der Prozesskettenanalysen und der vorgestellten Fallbeispiele wird ein Konzept zur eigenspannungsgerechten Produkt- und Prozesskettengestaltung autofrettierter Bauteile unter Verwendung der neuen Finite-Elemente-Modelle abgeleitet. Die schrittweise Berücksichtigung der Erkenntnisse in der frühen Musterphase des Produktentstehungsprozesses durch die Anwendung und Weiterentwicklung der vorgestellten Finite-Elemente-Modelle liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Vorgehensleitfäden und Einführungsstrategien für die Anwendung eigenspannungsinduzierender Fertigungsverfahren.

The full exploitation of material potentials and the need to save resources gain increasing importance in the design of today’s products and manufacturing process chains. Beneficial compressive residual stresses can be used in failure critical areas of highly loaded components in order to increase the fatigue strength. However, the final residual stress state is the result of complex interactions along the manufacturing process chain. This thesis presents results of an empirical-numerical process chain analysis for two representative geometries: A thick-walled cylinder and a high pressure distributor block with a T-shaped bore intersection. As a result, newly developed finite-element-models for the prediction of deformations and shape devia-tions as well as residual stress generation and redistribution are developed. Together with selected case studies, this leads to the presented concept for a residual stress optimized product and process chain design of Autofrettaged components. When applying the developed finite-element-models in the early sample stage of the product engineering process, this concept provides an important contribution to the development of guidelines and product launch-strategies for the application of residual stress inducing manufacturing processes.