Modellgestützte Regelung der Bauteilrandzoneneigenschaften beim Hartdrehen

 

Die spanende Bearbeitung härterer Stähle mit geometrisch bestimmter Schneide gewinnt mit der Entwicklung von superharten und eisenarmen Werkzeugmaterialien zunehmend an Bedeutung [1]. Zu diesen Verfahren zählt auch der Hartdrehprozess, bei dem die hohe Dehnrate zu einem lokalisierten Temperaturanstieg führt. Dabei wird ca. 90% der Prozessleistung in Wärme umgewandelt. Hierfür hat die Aufteilung der Wärmeströme einen maßgeblichen Einfluss auf das Prozessergebnis, welche durch die Einstellung der Prozessparameter und Stellgrößen beeinflusst werden kann. Ein typisches Problem bei der Hartzerspanung ist die Werkstoffmodifikationen an der Bauteilrandzone. In den meisten Fällen werden damit die sogenannten weißen und dunkeln Sichten gemeint (Abbildung 1).

Die weiße Schicht ist einige Mikrometer dick, hart und spröde. Zudem beeinflusst sie den Betrag und die Lage der Eigenspannungen. Dagegen ist die dunkle Schicht viel dicker, weich und duktil. Der Nachteil dieser ist die erleicherte Rissbildung und –ausbreitung. Somit haben diese beiden Schichten einen entscheidenden Einfluss auf den Lebensdauer des Bauteils. Deswegen werden sie in der Regel vor dem Einsatz des Bauteils entfernt. Die Bildung der weißen und dunkeln Sichten ist auf die Gefügeveränderungen zurückzuführen, die hauptsächlich durch die Enstehung von Neuhärtungs- und Anlasszonen verursacht werden [2].

  Abbildung 2: Schematische Darstellung der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern,-zustandsgrößen und –zielgrößen Urheberrecht: IEHK Abbildung 2: Schematische Darstellung der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern,-zustandsgrößen und –zielgrößen

Eine gezielte, funktionsorientierte Einstellung des Randschichtzustandes kann entsprechend Abbildung 2 nur durch Kenntnis der thermischen und mechanischen Prozesszustandsgrößen erfolgen, sofern deren Wirkung auf die Randzone quantitativ beschrieben werden kann [4].

 

Das Ziel dieses Projekts ist neben der Kalibrierung eines mikromagnetischen Sensors, welcher bei der Bestimmung von Eigenspannungsverlaufen, vorliegenden Gefügearten und Korngrößenverteilungen zum Einsatz kommen soll, die Entwicklung eines FE-Modells zur Simulation der belastungsabhängigen Randzonenmodifikation, welches auf phänomenologische und physikalische Kopplungen basiert. Innerhalb des phänomenologisch motivierten Modells wird das anerkannte Modifizierte-Bai-Wierzbicki-Materialmodell angewendet und um die bezüglich der Entstehung der weißen und dunklen Schichten relevanten Parametern, wie Härte, erweitert. Zudem wird die dynamische Rekristallisation basierend auf dem Zener-Hollomon Parameter modelliert. Während sich das physikalische Model aus der Implementierung eines Kristallplastizitätsmodells im Rahmen einer Phasenfeldsimulation ergibt.

Dieses Projekt wird durch Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

[1] A. Barbacki; M. Kawalec; A. Hamrol (2003): Turning and grinding as a source of microstructural changes in the surface layer of hardened steel. In: Journal of Materials Processing Technology 133 (1), S. 21–25. DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00211-X.

[2] D. Umbrello; J.C. Outeiro; R. M’Saoubi; A.D. Jayal; I.S. Jawahir (2010): A numerical model incorporating the microstructure alteration for predicting residual stresses in hard machining of AISI 52100 steel. In: CIRP Annals 59 (1), S. 113–116. DOI: 10.1016/j.cirp.2010.03.061.

[3] Manco, G. L.; Caruso, S.; Rotella, G. (2010): FE modeling of microstructural changes in hard turning of AISI 52100 steel. In: Int J Mater Form 3 (S1), S. 447–450. DOI: 10.1007/s12289-010-0803-3.

[4] Barry, J.; Byrne, G. (2002): TEM study on the surface white layer in two turned hardened steels. In: Materials Science and Engineering: A. Jg. 325, Nr. 1-2, S. 356– 364