Effect of Discrete Micro-forming on the Surface Layer

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZiel dieser Arbeit ist es, Erkenntnisse über die Auswirkungen der System- und der Stellgrößen auf die Prozess- und die resultierenden Wirkgrößen eines mechanischen Oberflächenbearbeitungsprozesses, dem sogenannten maschinellen Oberflächen-hämmern (engl. Machine Hammer Peening - MHP), zu gewinnen. Das Verfahren basiert auf einem oszillierenden Hammerkopf, der wiederholt auf eine Werkstückoberfläche trifft. Eine Aktorik, welche die Hammerkopfbewegung ausführt, wird an einer Werkzeugmaschine oder einem Roboter befestigt und entlang einer vorgegebenen Bahn geführt. Gemäß der VDI 3416 verwendet die Technologie ein Aktorsystem, um die Oberflächenrauheit zu reduzieren, die Oberflächenhärte zu steigern und oberflächennahe Druckeigenspannungen zu erzeugen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis des gesamten Bearbeitungsprozesses, basierend auf Maschinenuntersuchungen sowie dem Vergleich verschiedener MHP-Aktorsysteme, geschaffen. Um jedoch gezielte Oberflächenstrukturen zu erreichen, ist die Kopplung zwischen der Dynamik der Werkzeugmaschine oder dem Robotersystem und der Hammerkopfbewegung erforderlich, welche in dieser Arbeit genauer betrachtet wird. Aufgrund der NC-gesteuerten Positionierung und der präzisen Werkzeugführung zeigt der MHP-Prozess auch die Fähigkeit unter der Anwendung funktional gestalteter Werkzeuge definierte Mikrostrukturen auf einer Werkstückoberfläche herzustellen. Im Gegensatz zu Beschichtungstechniken zur Funktionalisierung von Oberflächen erfolgt die Herstellung durch einen Mikroumformprozess. Diese Tatsache, in Kombination mit der Möglichkeit der Phasenumwandlung des Kristallgitters einer metastabilen austenitischen CrNi Legierung hin zu einer martensitischen Struktur durch den Einsatz des genannten Verfahrens, birgt großes Potenzial dieser Technologie. Um die Eignung eines piezoelektrischen Aktors zur Herstellung von Mikrostrukturen zu überprüfen, werden Experimente am Warmarbeitsstahl X38CrMoV5-1 (1.2343) durchgeführt. Neben der Strukturierung der Oberfläche wird die durch plastische Verformung induzierte Phasenumwandlungen an einem metastabilen austenitischen CrNi Werkstoff X5CrNi18 10 (1.4301) untersucht. Experimentelle Untersuchungen werden an einem Roboter sowie an Fräsbearbeitungszentren durchgeführt. Als Aktoriken sind ein elektromagnetisches, ein pneumatisches, sowie ein piezoelektrisches Aktorsystem Bestandteil der Untersuchungen. Letzteres dient zur Herstellung mikrostrukturierter Oberflächen. In einem nachgelagerten Spritzgussprozess wird gezeigt, dass die Oberflächen am Kunststoff-Formteil wasserabweisende Eigenschaften aufweisen. Im Bereich der induzierten Phasenumwandlungen eines CrNi Werkstoffes kann in den oberen Schichten des Werkstücks eine Phasenumwandlung von einer metastabilen austenitischen in eine martensitische Phase erreicht werden. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen das Potenzial für eine erweiterte Anwendung von mechanischen Oberflächenbehandlungen, wie z.B. dem maschinellen Oberflächenhämmern.The objective of this research is to gain knowledge about the effects of the system- and the independent variables on the dependent variables and the resulting material properties of a mechanical surface treatment process, called machine hammer peening (MHP). MHP is based on an oscillating hammer head which strikes repeatedly on a workpiece surface. The actuator, which provides the tool movement, is attached to a machine tool or a robot in order to treat the surface with well-directed impacts. According to VDI 3416, the technology uses an actuator system to reduce surface roughness, increase surface hardness, and induce near surface compressive residual stresses. Moreover, a comprehensive understanding of the entire machining process, based on machine investigations as well as the comparison of different MHP actuators, is created in this work. However, to achieve distinctively oriented surface structures and patterns the coupling between the tool path motion and the actuator motion dynamics is required. When producing defined surface structures to influence the surface integrity by the use of MHP, the acceleration of the machining system has to be considered. Apart from the named surface properties, structured tools can also be applied for surface treatment processes to create defined surface textures. In the past, these surface properties were achieved by advanced coatings or additional finishing technologies. While both work, they have their limitations. Coatings wear off over time. This fact, in combination with the possibility of phase transformation of the crystal lattice of a processed metastable austenitic to martensitic structure by the application of machine hammer peening, contains great potential. For this purpose, a coupling between the impact frequency of the MHP-system and the speed distribution on the tool path must be realized. Along with adapted NC-controlled motion of the machining system, a predictable sequence of contacts between the tool and the workpiece can be achieved. Further, to verify the suitability of an investigated piezoelectric actuator to create microstructures, experiments are carried out on the hot work tool steel X38CrMoV5-1 (1.2343). In addition to surface texturing, the deformation induced phase transformations on a metastable austenitic CrNi material X5CrNi 18-10 (1.4301) is investigated. As a result, it is possible to create deterministic patterns on the surfaces of workpieces and influence the surface characteristics. Experimental investigations have been performed using a KUKA robot KR30-3 equipped with an electromagnetic actuator system. Another application for a vibration-based process was shown by creating micro-structured surfaces with a piezoelectric actuator for a subsequent mold injection process which show hydrophobic surface conditions on the plastic molded part. Finally, due to plastic deformation of the crystalline steel material, as caused by machine hammer peening treatment in the upper layers of the workpiece, phase transformations may be achieved, from a metastable austenitic phase to a martensitic phase. The results obtained in this project show the potential for expanded application of mechanical surface treatments, like machine hammer peening.18