Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter October 20, 2021

Simulation of Fixture Hardening for Tool and Process Design Optimization

Simulation des Fixturhärtens zur Optimierung von Werkzeug- und Prozessdesign
M. Vidoni, S. Sarkar, H. Farivar, J. Sims, M. Jordan and D. Münter

Abstract

Fixture hardening is the process of choice when thin-walled, carburized gears need to be heat treated with minimal distortion. Only a few publications have studied and described the phenomena taking place in carburized gears during a fixture hardening process. An integrated approach is proposed to improve the design of hardening fixtures and introduce new strategies and instrumentation to better understand and control the process. The proposed approach is to tightly integrate the knowledge in metallurgy, numerical simulation, process control, and machine design areas to mutually compensate and overcome the current limitations in each single area. An instrumented fixture is designed for a reference gear and tested on an industrial quenching press. The signals from the fixture are combined directly with the signals from the quenching press, recorded, and used to validate and improve the numerical simulation models. Metallurgical simulations are used to predict temperature distribution, phase transformations, distortion, and to identify new process strategies.

Kurzfassung

Fixturhärten ist das Verfahren der Wahl, wenn dünnwandige, aufgekohlte Zahnräder mit minimalem Verzug wärmebehandelt werden sollen. Nur wenige Veröffentlichungen haben die Phänomene untersucht und beschrieben, die in aufgekohlten Zahnrädern während eines Fixturhärteprozesses auftreten. Es wird ein integrierter Ansatz vorgeschlagen, um das Design von Härtevorrichtungen zu verbessern und neue Strategien und Instrumente einzuführen, um den Prozess besser zu verstehen und zu kontrollieren. Der vorgeschlagene Ansatz besteht darin, das Wissen in den Bereichen Metallurgie, numerische Simulation, Prozesssteuerung und Maschinenkonstruktion eng miteinander zu verknüpfen, um die derzeitigen Einschränkungen in jedem einzelnen Bereich auszugleichen und zu überwinden. Eine instrumentierte Vorrichtung wird für ein Referenzzahnrad entworfen und auf einer industriellen Härtepresse getestet. Die Signale der Vorrichtung werden direkt mit den Signalen der Härtepresse kombiniert, aufgezeichnet und zur Validierung und Verbesserung der numerischen Simulationsmodelle verwendet. Metallurgische Simulationen werden zur Vorhersage von Temperaturverteilung, Phasenumwandlungen und Verzug sowie zur Ermittlung neuer Prozessstrategien verwendet.

Acknowledgement

The work presented in this article has been supported by the Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, LuFo Call V under the PeCoGear Project. The Authors are thankful for the financial support that made this work possible. The Authors would like to thank Roland Kasper, Johannes Sonnenburg and all the involved colleagues from Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, from the Institute für Eisenhüttenkunde of the RWTH Aachen, DANTE Solutions inc. and Wickert Maschinenbau GmbH.

Danksagung

Die in diesem Artikel vorgestellten Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, LuFo Call V im Rahmen des PeCoGear-Projekts gefördert. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung, die diese Arbeit ermöglicht hat. Die Autoren danken Roland Kasper, Johannes Sonnenburg und allen beteiligten Kollegen der Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen, DANTE Solutions inc. und Wickert Maschinenbau GmbH.

References

1 Dossett, J. L.; Totten, G. E.: Steel Heat Treating Fundamentals and Processes. ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2013. – ISBN: 978-1-62708-165-8Search in Google Scholar

2 Schüler, A.; Kleff, J.; Heuer, V.; Schmitt, G.; Leist, T.: Distortion of gears and sliding sleeves for truck gear boxes-a systematical analysis of different heat treatment concepts. HTM J. Heat Treatm. Mat. 71 (2016) 2, pp. 90–98, DOI:10.3139/105.11028510.3139/105.110285Search in Google Scholar

3 Heuer, V.; Löser, K.; Faron, D. R.; Bolton, D.: Low distortion heat treatment of transmission components. AGMA Technical Paper, Alexandria, Virginia, USA, 2010. – ISBN: 978-1-55589-979-0Search in Google Scholar

4 Atraszkiewicz, R.; Januszewicz, B.; Kaczmarek, Ł.; Stachurski, W.; Dybowski, K.; Rzepkowski, A.: High pressure gas quenching: Distortion analysis in gears after heat treatment. Mater. Sci Eng. A 558 (2012) 3, pp. 550–557, DOI:10.1016/ j.msea.2012.08.04710.1016/j.msea.2012.08.047Search in Google Scholar

5 Li, Z.; Ferguson, B. L.: Gas quenching process optimization to minimize distortion of a thin-wall ring gear by simulation. HTM J. Heat Treatm. Mat. 68 (2013) 1, pp. 35–41, DOI:10.3139/105.11017310.3139/105.110173Search in Google Scholar

6 Mgbokwere, C.; Callabresi, M.: Numerical Simulation of a Heat-Treated Ring Gear Blank. J. Eng. Mater. Techn. 122 (2000) 3, pp. 305–314, DOI:10.1115/1.48280210.1115/1.482802Search in Google Scholar

7 Zoch, H.-W.: Distortion engineering: vision or ready to application? Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 40 (2009) 5–6, pp. 342–348, DOI:10.1002/ mawe.20090045710.1002/mawe.200900457Search in Google Scholar

8 Ehlers, M.; Güttler, J.; Schwarzer, J.: Computer Aided Simulation of Heat Treatment (CASH). HTM J. Heat Treatm. Mat. 61 (2006) 1, pp. 5–9, DOI:10.3139/ 105.10035810.3139/105.100358Search in Google Scholar

9 MacKenzie, D. S.; Ferguson, B. L.; Li, Z.: Effect of quenching variables on the residual stress and distortion of a heat treated disk. Proc. of the 23rd ASM Heat Treating Society Conference. 25.-28.09.2005, Pittsburgh, PA, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2006, pp. 232–238. – ISBN: 9780871708328Search in Google Scholar

10 Schmitz, G. J.; Prahl, U.: Handbook of software solutions for ICME. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA, 2016. – ISBN: 9783527693566Search in Google Scholar

11 Wagner, S.; Luebben, T.: Fixture Hardening without Quenching Oil. HTM J. Heat Treatm. Mat. 72 (2017) 5, pp. 260–277, DOI:10.3139/105.11033010.3139/105.110330Search in Google Scholar

12 Banka, J. F.; Li, Z.; Ferguson, B. L.; Aronov, M.: CFD and FEA used to improve the quenching process. Heat treating progress 8 (2008), pp. 50–56Search in Google Scholar

13 Stormvinter, A.; Kristoffersen, H.; Olofsson, A.; Biwersi, K.; Haglund, S.: Effect of Hardenability and Press Quenching on Distortion of Crown Wheels. Proc. 5th Int. Conf. Thermal Process Modeling and Computer Simulation, 16.-18.06.2014, Orlando, FL, USA, ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2014, p. 149. – ISBN: 9781627080682Search in Google Scholar

14 Li, Z.; Freborg, A. M.; Hansen, B. D.; Srivatsan, T. S.: Modeling the effect of carburization and quenching on the development of residual stresses and bending fatigue resistance of steel gears. J. Mater. Eng. Perform. 22 (2013) 3, pp. 664–672, DOI:10.1007/s11665-012-0306-010.1007/s11665-012-0306-0Search in Google Scholar

15 Kagathara, J.; Lübben, T.: Numerical Study to Understand the Distortion Behavior of a Weight-Reduced Counter Gear. HTM J. Heat Treatm. Mat. 76 (2021) 2, pp. 132–154, DOI:10.1515/htm-2020-000910.1515/htm-2020-0009Search in Google Scholar

16 Simsir, C.: Modeling and simulation of steel heat treatment: prediction of microstructure, distortion, residual stresses and cracking. ASM Handbook 4. J. L. Dosett, G. E. Totten (eds.), ASM International, Materials Park, Ohio, USA, 2014, pp. 409–466, DOI:10.31399/asm.hb.v04b.a000595010.31399/asm.hb.v04b.a0005950Search in Google Scholar

17 Birkhofer, H.; Lübben, T.; Taylor, B.: Optimizing Mandrel Dimensions for a Fixture Hardening Process of High-Strength Steel Aerospace Parts by Finite Element Simulation. Metals 10 (2020) 3, p. 303, DOI:10.3390/met1003030310.3390/met10030303Search in Google Scholar

Published Online: 2021-10-20
Published in Print: 2021-10-31

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany