Größeneinflüsse auf die Spanbildung und die Randzone bei der Hartzerspanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei Zerspanprozessen treten in Abhängigkeit von der Größe der Spanungsdicke h und des Radius der Schneidkantenverrundung rß Skalierungseffekte auf, welche die Spanbildung, die Prozesskräfte und die Bauteilrandzone beeinflussen. Ist die Schneidkantenverrundung größer als die Spanungsdicke (Verhältnis rß/h > 1), ist für die Charakterisierung des Zerspanprozesses die Betrachtung der effektiven geometrischen Verhältnisse an der Werkzeugschneide notwendig. Diese Verhältnisse werden erreicht, wenn im Zerspanprozess eine kleine Spanungsdicke und Schnitttiefe im Bereich der Schneidkantenverrundung des Werkzeugs vorliegen. Um die Skalierungseffekte in den einzelnen Zonen einer verrundeten Schneide zu untersuchen, wird in der vorliegenden Arbeit die Verrundung in Schneidenabschnitte aufgeteilt und diese als einzelne Fasen nachgebildet. Dieser Ansatz führt zu der lokalen Betrachtung des effektiven Scherwinkels, effektiven Spanwinkels sowie der effektiven Spanungsdicke an der Schneide. Um Rückschlüsse auf die Effekte an verrundeten Schneiden zu ziehen, wird daher die Prozessskalierung bei gefasten Werkzeugen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass ähnlich wie bei verrundeten Schneidkanten bei gefasten Werkzeuggeometrien ein signifikanter Einfluss der Spanungsdicke auf die Prozesskräfte und die Spanbildung vorhanden ist. Die Effekte bei der Größenskalierung des Prozesses stimmen mit früheren Untersuchungsergebnissen mit verrundeten Werkzeugschneiden qualitativ gut überein. Mit abnehmender Spanungsdicke ist ein Anstieg der spezifischen Schnitt- und Passivkraft vorhanden. Zudem findet hierbei ein Wechsel von der Segment- zur Fließspanbildung statt. Dieses wird sowohl bei dem gehärteten als auch bei dem ungehärteten Stahlwerkstoff festgestellt. Die Größe des effektiven Spanwinkels besitzt gegenüber der Spanungsdicke einen geringeren Einfluss auf die Kräfte und die Spanbildung. Mit zunehmend negativem Spanwinkel wird eine signifikante Zunahme der spezifischen Passivkraft ermittelt. Dieses wirkt sich primär auf die geometrische Struktur der Spansegmente aus und führt zu einer Breitenzunahme der sekundären Scherzone des Spans. In Passivrichtung im Übergangsbereich von der Werkzeugfase zur Freifläche treten am Werkstück hohe Drücke und Verformungen auf. Mit steigender Entfernung von dieser Zone nehmen die Belastungen in Passivrichtung stark ab. Diese ist bei verrundeten Schneiden eine Ursache dafür, dass der Scherwinkel der primären Scherzone bei bestimmten Skalierungsverhältnissen einen lokal unstetigen Verlauf aufweist. Bei der Prozessskalierung verrundeter Werkzeuge beeinflussen die Größe der Schneidkantenverrundung und der Spanungsdicke signifikant den Verschleißfortschritt des Werkzeugs und die Eigenschaften der Bauteilrandzone. Die absoluten und bezogenen Passivkräfte und somit die Energieumsetzung in der Kontaktzone sind hierbei wesentliche Faktoren. Bei großen Spanungsdicken tritt eine tiefere Beeinflussung der Randzone hinsichtlich des Eigenspannungszustands auf. Zudem entstehen hierbei weiße Schichten auf der Bauteiloberfläche, welche auf große thermomechanische Belastungen hinweisen. Durch die Prozessskalierung wird aufgezeigt, dass die absolute und relative Skalierung (rß/h = 1 bzw. rß/h ≠ 1) unterschiedliche mechanische und thermische Prozesswirkungen verursachen. Bei der Verwendung großer Schneidkantenverrundungen entstehen höhere Temperaturen an der Freifläche in Folge des zunehmenden Ploughing-Effekts. Bei kleinen Schneidkantenradien hingegen ist die mechanische Belastung hinsichtlich des Verschleißes und des Eigenspannungszustands der Randzone dominant. Hierbei ist die Stabilität der Schneidkante von Bedeutung, da kleine Radien zu Ausbrüchen neigen. Die Analysen der Prozesskräfte und Randzonengefüge zeigen zudem, dass diese Mechanismen vom Verschleißzustand des Werkzeugs überlagert werden. Eine zunehmende Größe der Verschleißmarkenbreite der Freifläche führt zu einem stärkeren Reibkontakt und tendenziell zu einem Anstieg der Passivkraft. Zudem werden hierdurch höhere Temperaturen in der Werkstückoberfläche erzeugt. Werden verschlissene Werkzeuge eingesetzt, so treten mit zunehmendem Verschleiß Zugeigenspannungen in der Bauteiloberfläche auf. Zudem werden Gefügeumwandlungen in Form weißer Schichten erzeugt. Der Einsatz unverschlissener Werkzeuge erzeugt tendenziell Druckspannungen in der Oberfläche und nur geringe Gefügeveränderungen. Wesentliche Erkenntnis der FE-Simulationen ist, dass durch die Größenskalierung des Zerspanprozesses eine relative Veränderung der Mindestspanungsdicke auftritt. Bei geringen Spanungsdicken wird eine größere auf die Spanungsdicke bezogene Werkstoffmenge an der Werkzeugfreifläche verformt und nicht als Span abgenommen, als bei großen Spanungsdicken. Dieses kann auch als zunehmender Ploughing-Effekt beschrieben werden. Hierdurch wird im Zerspanprozess eine größere Energiemenge umgesetzt. Es wird als eine Ursache für die Zunahme der spezifischen Prozesskräfte bei geringen Spanungsdicken bewertet. Im Rahmen des gesamten Forschungsprojekts sind analytische, empirische und numerische Modelle zur Erklärung und Berechnung von Skalierungseffekten bei Zerspanprozessen entwickelt worden. Es ergeben sich weitere Fragen für zukünftige Forschungsvorhaben, wie die nähere Analyse des Wechsels des Spanbildungsmechanismus sowie des auslösenden Faktors für das Auftreten der Spannungskonzentration und Scherlokalisierung in der Spanbildungszone. Die durchgeführten Arbeiten zeigen Modellansätze zur genauen Beschreibung der primären Scherzone und zur Berechnung des Einflusses der Schneidkantenverrundung auf die Prozesskräfte bei der Hartzerspanung. Diese weisen Potenziale zur Weiterentwickelung auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of the cutting edge geometry on the chip formation in machining. ICNFT, International Conference on new Forming Technology (2007), Seite 491-498, Bremen, BIAS Verlag
Denkena, B.; Clos, R.; Veit, P.; Jivishov, V.; Meyer, R.
- Size effect at chip formation in 100Cr6. ICNFT, International Conference on new Forming Technology (2007), Bremen, BIAS Verlag
R. Clos, S. Radoch, U. Schreppel, P, Veit, V. Jivishov, B. Denkena
- Mikrogeometrische Einflüsse beim Weich- und Hartspanen. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2008
Jivishov, V.
- Größeneinflüsse auf die Spanbildung und die Randzone bei der Hartzerspanung. In: Vollertsen, F.: Größeneinflüsse bei Fertigungsprozessen. BIAS-Verlag, Bremen, 2009, Begleitbuch zum Abschlusskolloquium Prozessskalierung, Bonn, 11./12.02.2009
Denkena, B.; de León, L.; Jivishov, V.; Meyer, R.
- Größeneinflüsse der Werkzeuggeometrie auf die Spanbildung und Prozessgrößen bei der Hart- und Weichbearbeitung. HTM J. Heat Treatm. Mat. 64 (2009) 1
Denkena, B.; de León, L.; Meyer, R.; Jivishov, V.
