TY - THES

T1 - Aufbau einer numerischen Simulationskette für induktionsgehärtete Randschichten

AU - Aigner, Roman

N1 - gesperrt bis 01-12-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau einer Simulationskette zur numerischen Abbildung des Induktionshärteprozesses. Anhand des Modells werden umfassende Parameterstudien hinsichtlich der Induktorgeometrie, der erforderlichen Frequenzen und Induktorströme sowie der Materialeigenschaften des Werkstücks durchgeführt. Mithilfe dieser Analysen können erste Aussagen sowohl über die entstehenden metallurgischen Eigenschaften, als auch über den Eigenspannungs- und Härtezustand in der Randschicht des Werkstücks getroffen werden. Dies reduziert somit den Prüfaufwand zur Bestimmung der Induktorgeometrie und ermöglicht die Abschätzung thermo-metallurgischer Prozessparameter. Die induktive elektromagnetisch-thermische Erwärmung wird mittels eines multiphysikalischen Softwarepaketes realisiert. Der nachfolgende thermo-mechanisch-metallurgische Abkühlvorgang inklusive Phasenumwandlung, Verzug, Härte- und Eigenspannungsverteilung wird anhand des Programmes Sysworld® durchgeführt. Bedingt durch die in der Arbeit untersuchte komplexe Bauteilform ist es notwendig, eine sogenannte SDF (Simultaneous Dual Frequency)-Technik in der elektro-magnetisch-thermischen numerischen Simulation abzubilden, bei der das Werkstück simultan mit einem hoch sowie einem mittelfrequenten Induktorstrom angeregt wird. Die darauffolgende numerische Simulation der thermo-mechanisch-metallurgischen Abkühlung wird dahingehend optimiert, dass durch ein benutzerdefiniertes Skript eine Parameterstudie der Abkühlparameter durchgeführt werden kann. Für den Datentransfer zwischen den beiden Programmen werden Skripten erstellt, welche sowohl eine Auswertung der Temperaturverteilung, als auch die daraus resultierenden Anpassungen der Simulationsparameter automatisiert. Abschließend werden die numerisch ermittelten, lokalen Eigenschaften mit bereits vorhandenen Messdaten abgeglichen und somit die Simulationskette experimentell validiert. Die ermittelten Randschichteigenschaften können in weiterer Folge als Datenbasis für Betriebsfestigkeitsbewertungen induktiv gehärteter Bauteile dienen und stellen dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung des Auslegungsprozesses dar.

AB - Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Aufbau einer Simulationskette zur numerischen Abbildung des Induktionshärteprozesses. Anhand des Modells werden umfassende Parameterstudien hinsichtlich der Induktorgeometrie, der erforderlichen Frequenzen und Induktorströme sowie der Materialeigenschaften des Werkstücks durchgeführt. Mithilfe dieser Analysen können erste Aussagen sowohl über die entstehenden metallurgischen Eigenschaften, als auch über den Eigenspannungs- und Härtezustand in der Randschicht des Werkstücks getroffen werden. Dies reduziert somit den Prüfaufwand zur Bestimmung der Induktorgeometrie und ermöglicht die Abschätzung thermo-metallurgischer Prozessparameter. Die induktive elektromagnetisch-thermische Erwärmung wird mittels eines multiphysikalischen Softwarepaketes realisiert. Der nachfolgende thermo-mechanisch-metallurgische Abkühlvorgang inklusive Phasenumwandlung, Verzug, Härte- und Eigenspannungsverteilung wird anhand des Programmes Sysworld® durchgeführt. Bedingt durch die in der Arbeit untersuchte komplexe Bauteilform ist es notwendig, eine sogenannte SDF (Simultaneous Dual Frequency)-Technik in der elektro-magnetisch-thermischen numerischen Simulation abzubilden, bei der das Werkstück simultan mit einem hoch sowie einem mittelfrequenten Induktorstrom angeregt wird. Die darauffolgende numerische Simulation der thermo-mechanisch-metallurgischen Abkühlung wird dahingehend optimiert, dass durch ein benutzerdefiniertes Skript eine Parameterstudie der Abkühlparameter durchgeführt werden kann. Für den Datentransfer zwischen den beiden Programmen werden Skripten erstellt, welche sowohl eine Auswertung der Temperaturverteilung, als auch die daraus resultierenden Anpassungen der Simulationsparameter automatisiert. Abschließend werden die numerisch ermittelten, lokalen Eigenschaften mit bereits vorhandenen Messdaten abgeglichen und somit die Simulationskette experimentell validiert. Die ermittelten Randschichteigenschaften können in weiterer Folge als Datenbasis für Betriebsfestigkeitsbewertungen induktiv gehärteter Bauteile dienen und stellen dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Effizienzsteigerung des Auslegungsprozesses dar.

KW - induction heating

KW - induction hardening

KW - SDF

KW - heat treatment

KW - 50CrMo4

KW - Induktionshärten

KW - Randschichthärten

KW - Zweifrequenzverfahren

KW - Wärmebehandlung

KW - Induktionserwärmung

KW - 50CrMo4

M3 - Masterarbeit

ER -