Tribologische Wirkung strukturierter Lagersitze am Bauteil Nockenwelle mit unterschiedlichen Oberflächenendbearbeitungen

Fischer, Joachim; Schulze, Volker; Mayer, Joachim; Scheu, Christina

doi:36938

Tribologische Wirkung strukturierter Lagersitze am Bauteil Nockenwelle mit unterschiedlichen Oberflächenendbearbeitungen

Fischer, Joachim

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Joachim Fischer

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XI, 156 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Schulze, Volker (Thesis advisor) ; Scheu, Christina (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00981
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/713196/files/713196.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Maschinelles Oberflächenhämmern (frei) ; machine hammer peening (frei) ; Oberflächenstrukturen (frei) ; Radial-Gleitlager (frei) ; Tribologie (frei) ; Nockenwelle (frei) ; Mikrostrukturanalyse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Nockenwellen sind gleitgelagerte Bauteile, welche im Verbrennungsmotor mit schwellender Lastbeaufschlagt werden. Um das Reibungs- und Verschleißverhalten im Zylinderkopf zu verbessern, wurde das maschinelle Oberflächenhämmern (MHP) eingesetzt. Es handelt sich um ein innovatives Oberflächenbearbeitungsverfahren, mit welchem die Wellenoberfläche der Lagerstelle bearbeitet wurde. Bei diesem Verfahren werden mit einem Hammerwerkzeug gezielte Hammerschläge auf der Wellenoberfläche gesetzt. Zur Hammerbearbeitung der Wellen wurde ein Prozess auf einer Drehbank entwickelt. Vorteil des MHP liegt in der Möglichkeit deterministische Oberflächenstrukturen, bei gleichzeitiger Kaltverfestigung und Erhöhung der Druckeigenspannungen an der Werkstückoberfläche, zu erzeugen. Oberflächenstrukturen können den hydrodynamischen Staudruck im Schmierspalt erhöhen und die Ölrückhalteeigenschaften des Lagers verbessern. Druckeigenspannungen zeigen sich vorteilhaft gegen Ermüdung des Werkstoffs unter tribologischer Last. Da Oberflächenstrukturen beim MHP materialverdrängend, durch Indentation erzeugt werden, entstehen prozessbedingt Aufwürfe am Rand der Näpfchen. Diese Aufwürfe müssen für den Einsatz als Gleitlager nachträglich durch ein Finishverfahren entfernt werden. Dem Finishverfahren kommt eine große Bedeutung zu, da es das Werkstoffgefüge an der Oberfläche beeinflusst. In der Tribologie spielt die Ausprägung der Mikrostruktur an der Oberfläche eine entscheidende Rolle. Die Eigenschaften des oberflächennahen Gefüges bestimmen Verschleißrate und Reibverhalten des Tribosystems. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch die angewendeten Oberflächenendbearbeitungsverfahren eingestellt. Durch den spezifischen Energieeintrag eines jeden Verfahrenswird eine einzigartige „Werkstoffantwort“ erzeugt. Jedes Bearbeitungsverfahren hinterlässt einen „Fingerabdruck“ im Werkstoffgefüge. Besonderes Augenmerk liegt auf der werkstoffkundlichen Betrachtung der kombinierten Bearbeitungs- und Finishverfahren. In dieser Arbeit wurden geschliffene Wellen gehämmert und anschließend das Finish appliziert.Das MHP erzeugt durch die plastische Deformation lokal eine hohe Versetzungsdichte im Randbereich des Werkstücks. Sind Umformgrade in metallischen Werkstücken hoch genug, kann sich ein feinkristallines Gefüge im Werkstoff ausbilden. Fein- bis hin zu nanokristallinen Strukturen besitzen verbesserte mechanische und tribologische Eigenschaften. Die Arbeit zeigt, dass mit dem hierangewendeten MHP-Prozess allein, keine nanokristallinen Strukturen erzeugt werden können. Als nachträgliches Finish kamen das Band-Superfinish und das Walzen zum Einsatz. Das Band Superfinish selbst, ist nicht in der Lage eine feinkristalline Ausprägung im Werkstoffgefüge zu erzeugen. In Kombination mit dem MHP hingegen, konnten ultrafeinkristalline Strukturen nachgewiesen werden. Diese Gefügeausprägung war jedoch nicht stabil und wurde durch die Lastwährend des Prüflaufs abgetragen. Eine nachhaltige Tribokonditionierung konnte nicht erreicht werden. Das Walzen entfernt Materialaufwürfe, im Gegensatz zum Band-Superfinish, nicht durch Materialabtrag, sondern durch plastische Deformation. Entsprechend konnten durch das Walzenselbst schon ultrafeinkristalline Mikrostrukturen erzeugt werden. Wird das Walzen als Finish nach dem Strukturieren durch das MHP-Verfahren angewendet, konnten punktuell feinkristalline Bereiche in der Randschicht gemessen werden. Allerdings konnte auch hier keine bleibende, stabile Tribokonditionierung des Gefüges erreicht werden. IX Zur genauen Untersuchung des Tribosystems „Nockenwelle – Zylinderkopf“ wurde ein Modelltestaufgebaut, welcher eine genaue Betrachtung und Beurteilung einer einzelnen Lagerstelle zulässt. An einem Rotations-Reibverschleiß Tribometer (RRV) kann eine Prüfwelle über das Gegenlager des Zylinderkopfs mit Last beaufschlagt werden. Eine direkte Drehmomentmessung macht auftretende Reibungseffekte messbar. Es zeigt sich, dass die erzeugten Oberflächenstrukturen mittels MHP und der daraus resultierenden Oberflächentopographie, zentralen Einfluss auf das Reibverhalten des Systems hatten. Die Reibungseffekte der Topographie überlagerten den Einfluss der Gefügeveränderung. Das Werkstoffgefüge, obwohl nicht vollständig stabil ausgebildet, besitzt deutlichen Einfluss auf die Verschleißraten des Tribosystems. Eine Verbesserung von Reibung und Verschleiß konnte durch die erzeugte Oberflächenstruktur mittels MHP und anschließendem Finish in einigen Fällen erreicht werden.

In the cylinder head of internal combustion engines, camshafts are supported by journal bearings, facing pulsating loads. In order to improve friction and wear behaviour of the camshaft, a novel machining process was introduced. The machine hammer peening (MHP) is an innovative surface treatment, aiming at the simultaneous improvement of the topography and near-surface microstructure. The peening treatment is realized by using a hammering tool to create single indentson the surface. By a broad set of parameters, the indents determine the resulting surface topography.In this work, the process was adapted for the usage on a lathe. The advantages of the MHP are the possibility to create deterministic surface structures, while increasing hardness and residual compressive stresses in metal materials, at the same time. Surface structures are known to increase the hydrodynamic pressure in the lubricating gap and improve the oil retaining properties of the bearing. Compressive residual stresses are advantageous countering fatigue of components under tribological load. Surface structures, created by MHP, are formed byembossing or indenting the surface with the hammer tip. Therefore, the dimples, created by plastic deformation, are exhibiting bulges at the circumference. To use these surfaces in a bearing application, the bulges around the dimples have to be removed after structuring, with a finishing treatment. In tribology, the microstructure near the surface of a component like the camshaft, plays a decisiverole of the overall performance of the tribological system. The properties determine wear rates and friction. These properties are set by the manufacturing process and the finishing treatment. Each surface operation induces a specific amount of energy into the system and creates a “response” within the microstructure. Thus, each machining process creates a unique “finger print” within the material. In particular, the combined response of a MHP treated surface in combination with the finishing process is of great interest. In this work, sample shafts have been burnished, MHP-treated and finished. Locally, the MHP-process increases the dislocation density by plastic deformation of the boundary area. Given the necessary high strain rates, plastic deformation can cause a refinement of the microstructure. That way, micro- and nanocrystalline structures can be created, which exhibitim proved mechanical and tribological properties. The MHP itself wasn’t able to form superfine crystalline structures with the set of parameters, used in this work. Subsequent to the MHP, the finishing operations tape superfinish or deep rolling were applied. The tape superfinish itself can’t transport sufficient energy into the material to create superfine crystalline structures. In combination with the previously applied MHP, however, measurements showed superfine crystalline microstructures beneath the material surface. Although the grain refinement showed improved behaviour compared to an unfinished, burnished surface in terms of wear, the microstructure wasn’t stable enough to withstand the strain of the tribo testing. It wasn’t possible to achieve a lasting tribo-conditioning of the surface layers. In comparison to the tape superfinish, the deep rolling process removes bulges not by abrasion, but by plastic local deformation. According to the nature of plastic deformation, the deep rolling process created superfine crystalline surface modifications. Combined with the MHP, selective nanocrystalline surface zones were formed. However, as observed with the tape superfinish, neither finishing process was able to form a stable, fine grained surface structure. XIFor a proper analysis of the tribo-system “cylinder head – camshaft” a test bench was developed and built, which allows an isolated experiment for a single bearing site. The so called “rotational wear bench” allows precise experiments, loading a sample shaft with a bearing, taken from a cylinder head. A torque measurement sensor allows detailed information about the friction behaviour of the bearing system. It is shown, that surface structures and the resulting surface topography, machined by MHP and connected finish, were able to outperform an unstructured, burnished surface, in certain cases. Although the created, fine grained microstructure wasn’t stable throughout the tribo-test cycle, it showed lower wear rates than untreated surfaces. The tests showed, that the microstructure has the highest impact on the wear rates. Friction measurements indicated, that the surface topography of structured surfaces superimposes the effects of the microstructure.

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