Modellierung und Simulation der segmentierten Spanbildung bei der Drehbearbeitung gehärteter Stähle
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten Möglichkeiten zur Reduzierung der Randzonenbeeinflussung bei der Drehbearbeitung gehärteter Stähle erarbeitet werden. Hierzu wurden neben experimentellen Untersuchungen 3D FE-Simulationen der kontinuierlichen und der segmentierten Spanbildung durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden drei verschiedene CBN-Werkzeuge zur Bearbeitung von vergütetem sowie gehärtetem 42CrMo4 (Härte 32 HRC bzw. 55 HRC) eingesetzt. Die eingestellten Schnittparameter wurden wie folgt variiert: Schnittgeschwindigkeit vc 100 bis 250 m/min, Vorschub f 0,1 mm bis 0,2 mm, Schnitttiefe ap 0,4 bis 2,0 mm. Die im Prozess auftretenden Kräfte wurden zum späteren Abgleich mit den Simulationsergebnissen aufgezeichnet. Des Weiteren wurden die Werkstückrandzone sowie die entstandenen Späne mit Hilfe von Querschliffen mikroskopisch untersucht. Für ausgewählte Parameterkombinationen wurden Eigenspannungsmessungen durchgeführt. Die Kraftmessung ergab bei der Zerspanung des vergüteten Werkstoffs mit einer Härte von 32 HRC etwas höhere Schnittkräfte als bei der Zerspanung des gleichen Werkstoffs in gehärtetem Zustand. Vorschub- und Passivkräfte sind dagegen bei der Bearbeitung des gehärteten Stahls geringfügig höher. Diese Effekte sind aus der Literatur bekannt. Bei allen Versuchen kam es zu für die Bearbeitung gehärteter Stähle untypischen geringen Passivkräften. Eine Beeinflussung der Randzone konnte nur für große Spanungsquerschnitte ab einer Schnitttiefe von 0,8 mm nachgewiesen werden. Generell war eine geringe Randzonenbeeinflussung bis zu einer maximalen Tiefe von 10 µm zu beobachten. Hinsichtlich der Spanbildung war auffällig, dass auch bei der Bearbeitung des vergüteten Stahls mit der Härte 32 HRC teilweise segmentierte Späne entstehen. Bei der Bearbeitung des gehärteten Stahls kommt es unabhängig von den Bearbeitungsparametern ausschließlich zur Bildung segmentierter Späne Mit Hilfe des 3D-FEM-Programm DEFROM 3DTM wurden dreidimensionale FE-Simulationen auf Basis Langrange’scher Berechnungen durchgeführt. Bei der FE-Modellierung der kontinuierlichen Spanbildung kam zur Beschreibung des plastischen Fließverhaltens bei den Werkstücken mit 32 HRC das Werkstoffmodell nach Johnson und Cook zum Einsatz. Da bei gehärtetem Stahl unter den hier verwendeten Schnittbedingungen und beim weicheren Werkstoff bei hohen Schnittgeschwindigkeiten statt der kontinuierlichen eine segmentierte Spanbildung auftritt, wurde das bestehende Werkstoffmodell um ein Segmentierungskriterium mit der Methode der Rissbildung erweitert. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes konnten 3D FE-Simulationen des Drehprozesses sowohl für einen vergüteten Stahl als auch für einen gehärteten Stahl, wobei es zur Bildung segmentierter Späne kommt, erfolgreich durchgeführt werden. Mit Hilfe der Simulationen lassen sich die mechanische und die thermische Beeinflussung der Randzone beurteilen. Durch eine Variation der Bearbeitungsparameter bzw. der Werkzeuggeometrie ist es dann möglich, den Prozess hinsichtlich einer reduzierten Randzonenbeeinflussung zu optimieren.
Publications
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Hard Turning of AISI 4140 – Influence of Tool Geometry and Cutting Parameters on Chip Formation and Surface Integrity. Proceedings of 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting, Vol. 2, Gifu, Japan, 26.10.2010, S. 317-320
Eyrisch, T.; Franke, V.; Sauer, B.; Aurich, J.C.
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Simulation segmentierter Spanbildung – Untersuchung von Randzoneneffekten. VDI-Z I Special Werkzeuge (2012), S. 38-40
Aurich, J.C., Eyrisch T., Mayer P.
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Werkstückrandzonenbeeinflussung beim Drehen – Experiment und Simulation segmentierter Spanbildung. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 3, S. 164-170
Aurich, J.C.; Mayer, P.; Eyrisch, T.
