NTN-SNR Roulements, weltweiter Marktführer auf dem Gebiet der Wälzlager

logo_NTNNTN SNR Roulements, Teil der Unternehmensgruppe NTN Corporation, mit Sitz in Annecy, Frankreich, ist ein weltweiter Marktführer auf dem Gebiet der Wälzlager, Antriebsgelenke, Linearmodule, Spann- und Umlenkrollen und Aufhängungskomponenten. Die Unternehmenstätigkeit ist in erster Linie auf die Automobilindustrie ausgerichtet, aber auch auf andere Industriezweige wie Luftfahrt, Flugzeugtechnik, Bahntechnik, Landwirtschaft und Bergbau.

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Herausforderung: Die Simulation eines Induktionshärtungsverfahrens validieren

NTR-SNR nutzt die FORGE® Software, um das Induktionshärtungsverfahren, welches bei der Herstellung von Wälzlagerringen verwendet wird, zu simulieren. Mechanische Teile werden mit dieser Methode behandelt, um sie an bestimmten Stellen und bis zu einer genau vorgegebenen Tiefe auszuhärten, wobei geometrische Verformungen und Restspannungen minimiert werden. Bei Wälzlagerringen können auf diese Weise die Kontakte der Laufringe extrem gehärtet werden, wobei in den anderen Bereichen eine ausreichende Zähigkeit beibehalten werden kann. 

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Dieser Prozess ist komplex, da elektromagnetische, thermomechanische und metallurgische Vorgänge gekoppelt werden müssen. Die Computersimulation wird in der Regel in der ersten Entwurfsphase des Induktors und des Härtesystems eingesetzt. 

Die Schwierigkeit besteht darin, den idealen Betriebspunkt des Generators zu finden und die metallurgischen Eigenschaften des gehärteten Teils im Voraus bestimmen zu können.

Mit dieser Studie wollte NTN-SNR Folgendes herausfinden: 

  • die zu verwendenden Sollwerte für den Generator, wie Stromstärke, Leistung und Frequenz
  • den Einfluss der multiphysikalischen Kopplungen auf die Temperaturentwicklung, die Restspannungen, die Verformungen und metallurgischen Transformationen während des Verfahrens.

 

Lösung: Mit einer FORGE®-Funktionalität den Prozess vollständig simulieren

Um das Verhalten des Generators am Computer zu simulieren, nutzt FORGE® einen iterativen Algorithmus, der die Frequenz und die Stärke mit hoher Präzision berechnet, um eine konstante, den Sollwerten entsprechende Leistung aufrechtzuerhalten. Die Simulation der induktiven Erwärmung erfolgt mithilfe von zwei Solvern, wobei der erste die elektromagnetischen Gleichungen löst und die durch induzierte Ströme erzeugte Leistungsdichte berechnet, während der zweite die gekoppelten thermischen, mechanischen und metallurgischen Gleichungen löst. Die beiden Solver sind gekoppelt, um die elektromagnetischen Eigenschaften des Teils zu aktualisieren.

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Die Lösung, die gewählt wurde, um das Verhalten des Generators zu berücksichtigen, ermöglicht: 

  • die Frequenz und die Stromstärke automatisch abzuleiten, um im Resonanzzustand zu funktionieren;
  • den Einfluss der Curie-Temperatur in Abhängigkeit mit den magnetischen und elektrischen Eigenschaften entsprechend der Temperatur und des Magnetfelds zu berücksichtigen. 

Indem der Generator bei der Simulation berücksichtigt wird, konnte NTN-SNR auch die Parameter optimieren und die optimale Stromstärke und Frequenz des Induktors für die Produktionsphase bestimmen. Die gespeicherten elektrischen Größen (Spannung, Stärke, Frequenz) konnten gut mit dem simulierten Verhalten des Generators abgestimmt werden. 

Die Lösung kann die starke Korrelation zwischen der Simulation und den Versuchsmessungen beweisen, und zwar bei: 

  • der gehärteten Tiefe und der definierten Form
  • der Verformung des Rings bei der Wärmebehandlung
  • dem Härtegrad und den Spannungen
  • der Mikrostruktur und dem martensitischen Profil

    rsz_case_study_ntn_graph_contraintes_deKarte der Verteilung der Axial- und Längsspannungen

„Die mit der Unterstützung von Transvalor durchgeführten Versuche haben es ermöglicht, in die FORGE® Software eine neuartige Beschreibung des Verhaltens des Stromgenerators zu implementieren. Durch die Integration des Betriebspunkts des Generators in die Simulation kann eine einzigartige und vollständige Lösung für die Entwicklung des gesamten Induktionshärtungsverfahrens erzielt werden.”

Victor Lejay, Prozessingenieur bei NTN-SNR Roulements, Frankreich

 

Vorteile: Beherrschung des Verfahrens der induktiven Wärmebehandlung

Dank FORGE® verfügt NTN-SNR über eine schnelle und prädiktive Lösung, die in der Lage ist, das gesamte Verfahren vom Generator bis zum Härten zu simulieren. 

Die Lösung wurde anhand von Versuchen an Wälzlagerringen aus Stahl (C56) validiert und ermöglicht NTN-SNR somit:

  • bereits in der Simulationsphase den optimalen Betriebspunkt des Generators zu bestimmen;
  • das reale Verhalten des Generators bei der Simulation zu berücksichtigen, ohne eine komplexe Berechnung durchführen zu müssen, um vom Sollwert der Leistung zur Stromstärke zu wechseln;
  • die Entwicklung der Mikrostruktur der Wälzlagerringe im Voraus zu kennen, insbesondere die Form und die Tiefe der gehärteten Zone;
  • einen Zusammenhang zwischen Verformungen und Restspannungen nach der Härtung herzustellen; 
  • ovale Verformungen durch die Prüfung der Verformungen nach dem Härten zu beherrschen.

Alle diese Elemente haben NTN-SNR ermöglicht, die Einstellungen des Generators zu optimieren, um eine Lösung zu bieten, die alle Etappen der induktiven Wärmebehandlung berücksichtigt.

„FORGE® ist eine prädiktive Softwarelösung, da die realen Parameter des Generators als Eingangsdaten für die Simulation verwendet werden, um die metallurgischen Eigenschaften des Teils im Voraus bestimmen zu können.“

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