Advances and Trends in Non-conventional, Abrasive and Precision Machining

The work included in this book pertains to advanced abrasive and nonconventional machining processes. These processes are at the forefront of modern technology, with significant practical significance. Their importance is also made clear by the case studies that are included in the research that is presented in the book, pertaining to important materials and high-end applications. However, the particularities of these manufacturing processes need to be further investigated and the processes themselves need to be optimized. This is conducted in the presented works with significant experimental and modeling work, incorporating modern tools of analysis and measurements

Controlling friction by multi-scale surface patterning inside and outside the contact zone

Tribological problems in machine elements contribute significantly to energy consumption and thus have a major impact on economic efficiency and CO2 emissions. To influence the tribological proper- ties of surfaces, bio-inspired multi-scale surface patterns are developed in the present dissertation and applied inside and outside the contact zone of technologically relevant steel surfaces. For the genera- tion of multi-scale patterns, larger micro-coined patterns are combined with smaller laser patterns. Patterns outside the contact zone can guide lubricants over the surface or prevent lubricant migration out of the contact caused by centrifugal forces or temperature gradients. With respect to the develop- ment of effective surface patterns, multi-scale patterns have been identified as particularly effective both inside and outside the contact zone. Thus, the tribological properties can be improved directly and indirectly by the use of multi-scale surface patterns. For an effective design of the patterns, struc- tural parameters like depth and periodicity have to be considered. Suitable single- and multi-scale surface patterns are selected and successfully transferred to the shafts of journal bearings. The fric- tional investigations show a excellent comparability between laboratory tests and application. Com- pared to the non-patterned shaft, the friction of the shaft with a multi-scale pattern can be reduced by a factor of 4. Finally, the use of surface patterns in machine elements is critically discussed, and general design guidelines for surface patterning in machine elements are derived.Tribologische Probleme in Maschinenelementen tragen wesentlich zum Energieverbrauch bei und haben somit einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und den CO2-Ausstoß. Um Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften von Oberflächen zu nehmen, werden in der vorliegenden Arbeit bio- inspirierte Multiskalen-Oberflächenstrukturen entwickelt und innerhalb und außerhalb der Kontakt- zone von technologisch relevanten Stahloberflächen eingesetzt. Für die Erzeugung von multi-skaligen Strukturen werden größere mikrogeprägte Muster mit kleineren Lasermustern kombiniert. Strukturen außerhalb der Kontaktfläche können Schmiermittel über die Oberfläche leiten oder die Schmiermittelmigration aus dem Kontakt heraus aufhalten, welche durch Zentrifugalkräfte, sowie Temperaturgradienten verursacht wird. Im Hinblick auf die Entwicklung effektiver Strukturen wurden multi-skalige Strukturen als besonders wirksam sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kontaktzone identifiziert. Somit können die tribologischen Eigenschaften direkt und indirekt durch den Einsatz von multi-skaligen Oberflächenmustern verbessert werden. Für ein effektives Design der Strukturen müs- sen vor allem strukturelle Parameter wie Tiefe und Periodizität berücksichtigt werden. Als effektive befundene einzel- und multi-skalige Strukturen werden auf die Wellen von Gleitlagern übertragen. Die Reibuntersuchungen zeigen eine gute Vergleichbarkeit zwischen Laborversuchen und Anwen- dung. Im Vergleich zur unstrukturierten Welle kann die Reibung der Welle mit einer multi-skaligen Struktur um den Faktor 4 reduziert werden. Abschließend wird die Verwendung von Oberflächenstrukturen in Maschinenelementen kritisch diskutiert und allgemeine Designrichtlinien für die Oberflächenstrukturierung in Maschinenelementen abgeleitet.Deutsche Forschungsgemeinschaft (Ressourceneffiziente Konstruktionselemente

Grinding and fine finishing of future automotive powertrain components

The automotive industry is undergoing a major transformation driven by regulations and a fast-paced electrification. A critical analysis of technological trends and associated requirements for major automotive powertrain components is carried out in close collaboration with industry – covering the perspectives of OEMs, suppliers, and machine builders. The main focus is to review the state of the art with regard to grinding, dressing, texturing and fine-finishing technologies. A survey of research papers and patents is accompanied by case studies that provide further insights into the production value chain. Finally, key industrial and research challenges are summarized

Investigation of the Nonlinear Tribological Behaviour of Mechanical Seals for Online Condition Monitoring

Mechanical seals have increasingly been used for sealing rotating shafts in centrifugal pumps, propeller shafts in ships and submarines, compressors, liquid propellant rocket motors in aerospace industry, pumps, turbines, mixers and many other rotating machines during last two decades. Abnormal operating conditions in the mechanical seals will degrade machine performance, increase operating cost and may cause unexpected sudden failures which are dangerous in both engineering and safety terms. Hence it is necessary to investigate the tribological behaviour of mechanical seals operating based on nonlinear coupling between fluid and surface dynamics, in order to develop more advanced diagnostic technologies to improve the reliability of such machines operating with mechanical seals. Different condition monitoring techniques have been studied to evaluate the lubrication state and severity of contact between the mating faces in mechanical seals. However, some of them are not cost effective others are not practical in industrial applications. Acoustic emission (AE) has been proved to be a sensitive indicator of lubrication conditions and changes in the lubricant properties, however the application of technique for identification of lubrication regimes in mechanical seals has not been reported yet. Moreover, previous studies give relatively little information to acoustic emission condition monitoring of mechanical seals, nor has comprehensive fault detection been implemented for a particular case. In addition, a review on previous works reveals the lack of comprehensive mathematical models to explain the relationship between AE energy and tribological characteristics of the mating faces under healthy and faulty conditions. In this research, the tribological behaviour of mechanical seals is investigated using acoustic emission measurements to pave a way for fault detection at early stage. Three common seal failures i.e. dry running, spring fault, and defective seal are studied in this thesis. The main objective is to extract AE features that can explain the tribological behaviour of mechanical seals under both healthy and faulty conditions. To achieve this, a purpose-built test rig was employed for collecting AE signals from the mechanical seals. Then, the collected data was processed using time domain, frequency domain and time frequency domain analysis methods which are of the most common techniques used for monitoring in AE applications. Based on results the main frequency band that can present the tribological behaviour of mechanical seals was detected. Also it has been proved that AE features in time domain and frequency domain can be effectively applied to indicate the lubrication condition of mechanical seals as well as early fault detection. Moreover, mathematical models were developed to establish a relationship between AE root mean square (RMS) value of AE signals and working parameters of seals (rotational speed, load and number of asperities in contact) under different lubrication regimes. A good agreement was achieved between measured and predicted signals that gives a good evidence of the effectiveness of proposed models. Especially in case of leakage that is one of the main situations indicating the seal failure, a significant difference was observed between the predicted signal for healthy case and the measured signal under faulty conditions. Therefore, it can be deduced that the AE measurement system and signal processing developed in this work has a promising potential to be used to diagnose and monitor the mechanical seals online. Finally, the conclusions and achievements are given based on the entirety of this research work, and online monitoring incorporating with AE features and mathematical models developed in this thesis are suggested as the main works for further research

An approach to investigate surface roughness influence on the running-in behaviour of mixed-lubricated sliding contacts using the finite element method = Ein Ansatz zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf das Einlaufverhalten von mischreibungsbehafteten Gleitkontakten unter Verwendung der Finite Elemente Methode

Um den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Reibungs- und Verschleißverhalten zu untersuchen, stehen nur begrenzte experimentelle Möglichkeiten zur Verfügung. Bedingt durch die spanende Endbearbeitung von Lagerschalen und Wellen bewirkt eine Veränderung der Werkstücktopographie, resultierend aus der Variation der Schnittparameter im Herstellprozess, immer auch eine Veränderung der Welligkeit und der Grenzschicht einer Oberfläche. Daher ist es mit experimentellen Methoden aktuell nicht möglich, die Rauheit isoliert zu betrachten. Hierzu wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächentopographie auf das Reibungs- und Verschleißverhalten von geschmierten Kontakten vorgestellt, die Entwickler bei der ressourcenschonenden Auslegung von technischen Oberflächen unterstützt. Die Methode basiert auf numerischen Modellen auf der Mikroskala, die sowohl für trockenlaufende als auch für geschmierte Systeme einen genaueren Einblick in den tribologischen Kontakt ermöglicht. Die Untersuchungen wurden mit der Finite-Elemente-Software ABAQUS auf der Mikroskala durchgeführt. Ein bestehendes Mischreibungsmodell wurde hierzu um eine Verschleißroutine erweitert, die die Berechnung von lokalen Verschleißtiefen an beiden tribologischen Partnern erlaubt. Die numerischen Modelle von trockenlaufenden Kontakten wurden experimentell anhand von Nanoindenterversuchen validiert. Die Modelle von geschmierten Kontakten wurden mit numerischen Methoden verifiziert. Um das initiale Zielsystem für die Berechnungsmethode zu entwickeln, wurde mit Hilfe des Contact, Channel and Connector Approach (C&C²-A) ein tribologisches System methodisch analysiert und unter Verwendung der PGE- Produktgenerationsentwicklung eine Validierungsumgebung für die Untersuchung des Einflusses der Oberflächenrauheit auf Reibung und Verschleiß geschaffen. Auf dieser Grundlage wird ein Untersuchungsansatz mit dem Schwerpunkt auf der Modellbildung des mikroskopischen Mischreibungskontaktes und den zutreffenden Annahmen und verwendeten Randbedingungen entwickelt. Das trockenlaufende Kontaktmodell wurde anschließend anhand von experimentellen Nanoindenterversuchen validiert, wobei nur sehr geringe Abweichungen in der gemessen und berechneten Reibkraft auftraten. Das geschmierte Kontaktmodell wurde anhand von Konvergenzuntersuchungen und Vergleichen mit anerkannten Berechnungsverfahren in der Strömungsmechanik verifiziert. Anschließend wurde eine Parameterstudie durchgeführt, wobei Einflüsse von Materialeigenschaften der Festkörper und des Fluides und Randbedingungen wie Fluiddruck im Schmierspalt und Anpresskraft auf das Reibungs- und Verschleißverhalten untersucht wurden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass besonders die Anpresskraft in der Einlaufphase einen großen Einfluss auf die Verschleißtiefe in der stationären Phase des tribologischen Systems hat. Weiterhin wurden unterschiedlich gefertigte Oberflächen untersucht und auch hier konnten große Unterschiede in Reibung und Verschleiß aufgezeigt werden. Abschließend wurde die zeitliche Entwicklung der Oberflächentopographie betrachtet und mit experimentell ermittelten Werten verglichen. Auch hier konnten identische Veränderungen ausgewählter statistischer Rauheitsparameter beobachtet werden

Investigations on Additively Manufactured Stainless Bearings

Additive manufacturing with multi-material design offers great possibilities for lightweight and function-integrated components. A process chain was developed in which hybrid steel–steel-components with high fatigue strength were produced. For this, a material combination of stainless powder material Rockit® (0.52 wt.% C, 0.9% Si, 14% Cr, 0.4% Mo, 1.8% Ni, 1.2% V, bal. Fe) cladded onto ASTM A572 mild steel by plasma arc powder deposition welding was investigated. Extensive material characterization has shown that defect-free claddings can be produced by carefully adjusting the welding process. With a tailored heat treatment strategy and machining of the semi-finished products, bearing washers for a thrust cylindrical roller bearing were produced. These washers showed a longer fatigue life than previously produced bearing washers with AISI 52100 bearing steel as cladding. It was also remarkable that the service life with the Rockit® cladding material was longer than that of conventional monolithic AISI 52100 washers. This was reached through a favourable microstructure with finely distributed vanadium and chromium carbides in a martensitic matrix as well as the presence of compressive residual stresses, which are largely retained even after testing. The potential for further enhancement of the cladding performance through Tailored Forming was investigated in compression and forging tests and was found to be limited due to low forming capacity of the material

Rolling Contact Fatigue of Hypoeutectoid Steel

Due to limitations in the processing of conventional, 100Cr6 bearing steel, induction hardend hypo eutectoid bearing steel become of interest. No publicly accessible data for service life rating is available for these steel grades. In this work the service life limiting effects for these grades are investigated and, due to exclusively tribological failures, the microstructural changes - also known as material response - are analysed in order to determine the subsurface failure probability