Fundamental studies on the influence of production-related properties on the fatigue strength of cold-forged components

Das gestiegene ökologische Bewusstsein in der Gesellschaft führt zur Verabschiedung von immer mehr gesetzlichen Regelungen und Programmen zur Verringerung des Energiebedarfs und der Verbesserung der Ressourceneffizienz. Mit Hilfe der Kaltmassivumformung ist eine ressourceneffiziente Herstellung von Bauteilen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften möglich. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine ganzheitliche Charakterisierung des Einflusses unterschiedlicher Prozessschritte aus der Prozesskette der Kaltmassivumformung auf die resultierenden Bauteileigenschaften. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die Bauteileigenschaften aus der gesamten Prozesskette einer mehrstufigen Kaltmassivumformung mit besonderer Berücksichtigung verschiedener Wärmebehandlungsmethoden. Die Grundlage für die systematischen Untersuchungen bildet die ganzheitliche Charakterisierung der Eigenschaften der umformtechnisch hergestellten Bauteile. Bestandteil der Untersuchungen waren hierbei die Kaltverfestigung beziehungsweise Härte, die Topografie und die Rauheit, die Mikrostruktur des Werkstoffes und die resultierenden Eigenspannungen. Parallel hierzu erfolgt eine simulative Abbildung des Umformprozesses, um Zusammenhänge zwischen Werkstofffluss, Spannungsverlauf und resultierenden Bauteileigenschaften zu analysieren. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die dynamische Beanspruchbarkeit mit Hilfe von bauteilspezifisch entwickelten Prüfvorrichtungen ermittelt. Abschließend erfolgte eine Analyse des Einflusses der fertigungsbedingten Bauteileigenschaften auf die dynamische Beanspruchbarkeit. Durch die Korrelation der Bauteileigenschaften mit den ermittelten dynamischen Beanspruchbarkeiten konnten die grundlegenden Einflüsse und deren Wechselwirkungen für unterschiedliche dynamische Beanspruchungen identifiziert werden. Anhand der gewonnen Erkenntnisse werden zudem Empfehlungen zur Auslegung der entsprechenden Prozesse zur gezielten Einstellung der Bauteileigenschaften gegeben. Durch die Untersuchungen ist es möglich, die Vorteile kaltmassivumgeformter Bauteile gezielter zu nutzen und neben der Auslegung für statische Beanspruchungen auch die dynamische Beanspruchbarkeit zu berücksichtigen.Increased environmental awareness in society is leading to the adoption of more and more legislation and programmes to reduce energy demand and improve resource efficiency. With the help of cold forging, resource-efficient production of components with very good mechanical properties is possible. Within the scope of this work, a holistic characterization of the influence of different process steps of the cold forging process chain on the resulting component properties was carried out. The investigations focus on the component properties from the entire process chain of a multi-stage cold forging process with special consideration of different heat treatment methods. The basis for the systematic investigations is the holistic characterization of the properties of the components produced by forming technology. The investigations included strain hardening and hardness, topography and roughness, the microstructure of the material and the resulting residual stresses. At the same time, a numerical simulation of the forming process was carried out in order to analyse correlations between material flow, stress distribution and resulting component properties. On the basis of these findings, the dynamic strength was determined with the aid of test devices developed specifically for the component. Finally, an analysis of the influence of the production-related component properties on the dynamic strength was carried out. By correlating the component properties with the determined dynamic loads, it was possible to identify the fundamental influences and their interactions for different dynamic loads. Based on the gained knowledge, recommendations are given for the design of the processes for the targeted adjustment of the component properties. The investigations make it possible to use the advantages of cold-forged components and to consider not only static strength but also dynamic strength in the development process