Comprehensive characterisation and modelling of the surface integrity by deep rolling on flat surface

Abstract

The modern mechanical engineering is confronted with growing demands for production of high qualitative and durable products, manufactured at low costs and with short time to market. Those demands can be achieved by optimizing the product properties like lightweight, fatigue strength, corrosion resistance, etc. This thesis focuses on the characterisation of a special mechanical surface treatment called deep rolling, which can enhance the fatigue strength of the treated product by altering the material’s surface integrity as inducing favourable compressive residual stresses, a cold worked layer and by minimising the surface roughness. The available numerous deep rolling parameters, combined with the unknown material’s state inherited from previous manufacturing stages, complicate the prediction and the controlled generation of the above-mentioned treatment effects. In this work, a numerical-empirical approach for the comprehensive characterisation of surface integrity by deep rolling was defined. A finite element modelling was combined with x-ray diffraction method for the investigation of the residual stress state by variable treatment parameters and material’s state. Additionally, the cold worked amount, and the surface topography were analysed utilising finite element analysis, indentation micro-hardness method, x-ray diffraction peak widths investigations and mechanical tactile techniques. This work contributes to a better understanding of the deep rolling treatment and facilitates its integration into new product manufacturing chains.

Der moderne Maschinenbau sieht sich mit wachsenden Anforderungen an die Herstel-lung qualitativ-hochwertiger und langlebiger Produkte konfrontiert, die kostengünstig und in kurzer Zeit auf den Markt gebracht werden sollen. Diese Anforderungen können durch Optimierung der Produkteigenschaften wie: Leichtgewicht, Dauerfestigkeit, Kor-rosionsbeständigkeit usw. erreicht werden. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit ist die Charakterisierung einer speziellen mechanischen Oberflächenbehandlung, auch als „Festwalzen“ bezeichnet. Diese Oberflächenbehandlung kann positiv auf die Dau-erfestigkeit des behandelten Produkts wirken, mittels Erzeugung von günstigen Druckeigenspannungen, Kaltverfestigung und Minimierung der Oberflächenrauheit. Die zahlreichen verfügbaren Festwalzparameter, in Kombination mit dem unbekann-ten und aus früheren Fertigungsstufen übernommen Materialzustand, erschweren Vorhersage und kontrollierte Erzeugung der oben genannten Behandlungseffekte. In dieser Arbeit wurde ein numerisch-empirischer Ansatz zur umfassenden Charakte-risierung der Oberflächenbeschaffenheit durch Festwalzen definiert. Finite-Elemente-Modellierung wurde mit Röntgenbeugungsmethode kombiniert, um den Eigenspan-nungszustand bei variablen Behandlungsparameter und Materialzustand zu untersu-chen. Zusätzlich wurden die Kaltverfestigung sowie die Oberflächentopographie unter Verwendung von Finite-Elemente-Analyse, Mikrohärteprüfungen, Röntgenbeugungs-peakbreiten Untersuchungen und Tastschnittverfahren analysiert. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Festwalzprozesses bei und erleichtert deren In-tegration in neue Produktfertigungsketten.