Untersuchung der Eigenspannungsstabilität von autofrettierten Aluminiumbauteilen unter zyklischer Beanspruchung und erhöhter Temperatur

Abstract

Zur Einhaltung der kontinuierlich verschärften Abgasnormen sind stetig steigende Einspritzdrücke erforderlich. Für die Komponenten des Common-Rail-Systems (Hochdruckpumpe, Rail und Injektor) resultieren hieraus erhöhte Schwingfestigkeitsanforderungen. In vielen Fällen wird dies durch den Einsatz des Autofrettageprozesses erreicht. Bei diesem Verfahren werden in das Bauteil Druckeigenspannungen eingebracht, die im Betrieb zu einer Reduzierung der wirkenden Mittelspannung führen. Eine dauerhafte Erhöhung der ertragbaren Spannungsamplitude ist jedoch nur dann möglich, wenn sich die Eigenspannungen nicht abbauen. Im Common-Rail-System werden für die mit Hochdruck beanspruchten Bauteile ausschließlich Stahlwerkstoffe eingesetzt. Für diese Werkstoffe wurde dabei der positive Effekt der Autofrettage mehrfach nachgewiesen. Erkenntnisse für Bauteile aus Nichteisenmetallen fehlen bislang jedoch weitgehend. In dieser Arbeit wird deshalb das Potenzial des Autofrettageprozesses für die Aluminiumknetlegierung EN AW-6082-T5 untersucht. Eine Berechnung der nach dem Autofrettageprozess vorliegenden Eigenspannungsverteilung erfolgt mit Hilfe des erweiterten Werkstoffmodells nach Armstrong, Frederick und Chaboche (AFC). Zur Validierung der Simulation werden experimentelle Eigenspannungsmessungen durchgeführt, bei denen eine Kombination aus Zerlege- und Bohrlochmethode angewendet wird. Hierbei zeigt sich, dass es mit Hilfe des AFC-Modells gelingt, den Eigenspannungszustand mit hoher Genauigkeit abzubilden. Das Eigenspannungsverhalten unter dem Einfluss einer zyklischer Beanspruchung sowie bei erhöhter Temperatur wird zunächst an autofrettierten Prüfkörpern mit einer T-förmigen Bohrungsverschneidung untersucht. In einem zweiten Schritt werden die hierbei gewonnenen Erkenntnisse auf das Gehäuse einer Außenzahnradpumpe übertragen. Bei den T-Verschneidungsproben ergibt sich aufgrund des Autofrettageprozesses eine signifikante Erhöhung der ertragbaren Schwingspiele. Experimentelle Untersuchungen zur Stabilität der Druckeigenspannungen bestätigen, dass sich diese unter rein schwellendem Innendruck nicht abbauen. Dies gilt für zyklische Beanspruchungen, bei denen die maximale Vergleichsspannung unterhalb der statischen bzw. zyklischen Streckgrenze liegt. Übersteigt die Beanspruchung hingegen einen der beiden Werte, verändert sich der Eigenspannungszustand deutlich. Bei einer rein thermischen Auslagerung von 80 °C über 65 h ergibt sich nur eine geringfügige Änderung der Druckeigenspannungsverteilung. Anschließend werden an autofrettierten sowie nicht autofrettierten Gehäusen einer Außenzahnradpumpe Innendruckschwellversuche bei unterschiedlichen Beanspruchungsniveaus durchgeführt, die den Einfluss des Prozesses auf die Schwingfestigkeit zeigen sollen. Hierbei wird jedoch keine Erhöhung der ertragbaren Spannungsamplitude festgestellt. Mikrostrukturelle Untersuchungen zeigen, dass an den ausgefallenen Gehäusen keine Gefügeauffälligkeiten vorliegen. Die Gehäuse versagen vielmehr in Bereichen, die nicht durch die bei der Autofrettage eingebrachten Druckeigenspannungen beeinflusst werden. Für eine wirksame Erhöhung der Schwingfestigkeit der Gehäuse ist somit zunächst eine Optimierung der Fertigung notwendig.

In order to maintain the continuously tightened exhaust emission standards, steadily rising injection pressures are necessary. This results in increased fatigue strength requirements for the common-rail-components high pressure pump, rail and injector. In many cases this is achieved by using the autofrettage process. This technique introduces compressive residual stresses to the component, reducing the acting mean stresses during operation. To ensure a reliable increase of the stress amplitude, the residual stresses must not be relaxed. For the components of the common-rail-system with high internal pressure only steel materials are used. A positive effect of autofrettage has been verified for these materials several times. However, findings for nonferrous metals are still relatively few. Therefore, this thesis determines the potential of the autofrettage process for the aluminum wrought alloy EN AW-6082-T5. The residual stress distribution after autofrettage is calculated with an advanced material model based on Armstrong, Frederick and Chaboche (AFC). To validate the results of the simulation, residual stresses are measured experimentally with a combination of the layering and hole-drilling-methods. It is shown that the AFC-Model can be used to represent the residual stress state with high accuracy. Initially, the residual stress behavior is examined for autofrettaged samples with a T-shaped bore intersection under the influences of cyclic load and increased temperatures. In a second step, the previously obtained results are transferred to the housing of an external gear pump. For the T-shaped bore intersection a significant increase in lifetime can be observed for samples after an autofrettage process. Experimental investigations of the stability of the residual stresses confirm that they do not relax under pure pulsating pressure. This applies for cyclic loads where the maximum equivalent stress is smaller than the static or cyclic yield strength. In contrast, loads above one of these values result in a measurable change of the residual stress distribution. A thermal storage of 80 °C for 65 h only leads to a slight change of the compressive residual stress distribution. Afterwards pulsating pressure tests are performed at various stress levels for housings of an external gear pump both with and without autofrettage, with the purpose to determine the influence of the autofrettage process on the fatigue strength. No increase of the load amplitude can be observed. The microstructural investigations of the failed housings do not show conspicuousness. In fact, the housings fail in areas that are not influenced by compressive residual stresses, introduced during the autofrettage process. To increase the fatigue strength of the housings, optimization of the production is necessary.