Methode zur Vorhersage der Schwingfestigkeit von Wellen mit festgewalzten Querbohrungen

Der menschengemachte Klimawandel erfordert Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Leichtbau gilt hierbei als zentrale Strategie, ist jedoch bei zyklisch hoch belasteten Bauteilen durch die Schwingfestigkeit an Kerbstellen wie Querbohrungen begrenzt. Zur Erhöhung der lokalen Schwingfestigkeit an Kerbstellen werden Verfahren wie das Festwalzen und das induktive Härten eingesetzt, um Druckeigenspannungen einzubringen und die Oberflächenhärte zu steigern. Im Vergleich zum induktiven Härten ermöglicht das Festwalzen eine vollständige Bearbeitung der Querbohrungsoberfläche und bietet dadurch ein hohes Potenzial zur Schwingfestigkeitssteigerung. Das Festwalzen ist ein mechanisches Randzonenbearbeitungsverfahren, bei dem ein kraftbeaufschlagter Walzkörper über die Bauteiloberfläche geführt wird. Dabei wird die Randzone plastisch umgeformt, wodurch insbesondere Kaltverfestigung sowie Druckeigenspannungen eingebracht werden. Diese Druckeigenspannungen wirken den im Betrieb auftretenden Zuglastspannungen entgegen und führen dadurch zu einer Erhöhung der Schwingfestigkeit. Unter betrieblicher Belastung kann es jedoch zu einer Umlagerung der Eigenspannungen kommen. Der Einfluss des Festwalzens auf die Schwingfestigkeit ist daher maßgeblich abhängig vom Werkstoff, der Art und Höhe der Belastung sowie von den initial eingebrachten Eigenspannungen. Die rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit festgewalzter Bauteile ist bislang mit erheblichen Unsicherheiten verbunden, da insbesondere die Umlagerung der Eigenspannungen unter Betriebsbeanspruchung nicht ausreichend berücksichtigt wird. Gegenstand dieser Arbeit ist ein Verständnis der mittels Festwalzens eingestellten Randzoneneigenschaften, der betriebslastbedingten Umlagerung der Eigenspannungen sowie des Einflusses der resultierenden Randzoneneigenschaften auf die Schwingfestigkeit von Wellen mit Querbohrungen. In einem ersten Schritt wurden experimentell und numerisch die Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen den Festwalzparametern und den resultierenden Randzoneneigenschaften untersucht. Im zweiten Schritt wurde die Umlagerung der eingebrachten Eigenspannungen unter Torsionsschwingbeanspruchung analysiert. Im dritten Schritt wurde der Einfluss der umgelagerten Eigenspannungen auf die Schwingfestigkeit experimentell untersucht. Im vierten Schritt wurde ein erweitertes Berechnungsverfahren basierend auf der FKM-Richtlinie entwickelt, das die zuvor ermittelten Eigenspannungsverteilungen berücksichtigt.