Quantitative Description of Resiudal Stress Pattern during Deep and Pendulum Grinding of 100Cr6
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Insbesondere für die Vorhersage von Eigenspannungen ist die Kenntnis der thermischen und mechanischen Beanspruchungen sowie der metallurgische Zustand der Werkstückrandzone Grundvoraussetzung. Die wesentliche Herausforderung hierbei liegt darin, das thermo-mechanische Belastungskollektiv während des Schleifprozesses quantifizierbar darzustellen, um daraus das wirkende Beanspruchungskollektiv abzuleiten. Darauf aufbauend können die Ursachen für die Eigenspannungsausbildung erforscht werden. Das Ziel dieser Arbeit lag daher in der Entwicklung einer geeigneten Messmethodik zur Identifikation des Belastungskollektives und Ermittlung der daraus resultierenden Beanspruchungen in der Werkstückrandzone. Dies ermöglichte, die Ursachen für die Eigenspannungsausbildung zu erforschen und ein Simulationsmodell zu entwickeln, dass die Vorhersage des Eigenspannungsverlaufs in Abhängigkeit von dem thermo-mechanischen Belastungskollektiv erlaubt. Die Neu- und Weiterentwicklung geeigneter Messmethoden mit einem Messaufbau ermöglichte es erstmals sowohl die Schleifkräfte als auch die Schleiftemperaturen entlang der Kontaktzone aufzulösen. Weiterführende analytisch-empirische Analysen der Schleifscheibentopografie ermöglichten eine quantitative Beschreibung der kinematischen Einzelkornkontaktflächen, welche sich während der Zerspanung im Eingriff befinden. Darauf aufbauend konnte die maximale mechanische Belastung (Flächenpressung) für den untersuchten Bereich beim Pendel- und Tiefschleifen neben den maximalen thermischen Belastungen (Schleiftemperaturen) abgeleitet werden. In metallurgischen Gefügeanalysen der Werkstückrandzone nach dem Schleifen wurde deutlich herausgestellt, dass mit hohen thermischen Belastungen eine mechanische Deformation der Werkstückrandzone des Werkstoffes 100Cr6 einhergeht. Schlussfolgernd konnte für die Modellierung des thermomechanischen Belastunskollektivs ein makroskopischer Modellansatz gewählt werden. In einem 3D FE-Modell wurde der Schleifprozess modelliert. Als Grundlage für die numerische Modellbildung wurden sowohl die messtechnisch ermittelten Belastungskollektive in Abhängigkeit von den verschiedenen Prozesseinstellgrößen als auch das bekannte thermo-mechanische Werkstoffverhalten zu Grunde gelegt. Damit die Eigenspannungsausbildung in den Forschungsarbeiten berücksichtigt werden konnte, wurden die metallurgischen Vorgänge infolge thermo-mechanischer Überbeanspruchungen untersucht. Insbesondere wurde die aktuelle Forschung zur Austenitumwandlung (α- zu γ-Eisen) um den Einfluss der mechanischen Beanspruchung erweitert, welcher beim Schleifen nicht vernachlässigbar ist. Dabei wurde der Einfluss der Dehnungen und Dehnungsgeschwindigkeiten systematisch und getrennt voneinander untersucht und analytisch-empirisch beschrieben. Es konnte ebenfalls ein deutlicher Einfluss der mechanischen Beanspruchungen auf die Martensitumwandlung (γ- zu α-Eisen) herausgestellt werden. Das in den Forschungsarbeiten gewonnene Wissen diente dazu, erstmals die wichtigsten thermomechanischen und metallurgischen Wechselwirkungen beim Schleifen in einem FE-Modell zu berücksichtigen, um die numerische Simulation der Eigenspannungen für das Schleifen zu ermöglichen.
Publications
- Beschreibung des Eigenspannungszustandes beim Pendel- und Schnellhubschleifen, Dissertation RWTH Aachen University, 2014
Duscha, M.
- Detailed Analysis and Description of Grinding Wheel Topographies. In: Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 139, No. 5, 2017
Weiß, M.; Klocke, F.; Barth, S.; Rasim, M.; Mattfeld, P.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4035531) - (2018) Numerical prediction of the microstructure and stress evolution during surface grinding of AISI 52100 (DIN 100Cr6). Integrating Materials and Manufacturing Innovation 7( 4) 202-213
Rajaei, A.; Hallstedt, B.; Broeckmann, C.; Barth, S.;Trauth, D.; Bergs, T.
(See online at https://doi.org/10.1007/s40192-018-0122-y)
