Entwicklung eines multimodalen Prozessmodells zur Oberflächenkonditionierung beim Außenlängsdrehen von 42CrMo4

Ziel der Arbeit ist es, Prozessmodelle zur Vorhersage und Beeinflussung von Randschichtzuständen zu identifizieren, um die Regelung des Außenlängsdrehens von 42CrMo4 zu ermöglichen. Als Modelleingangsgrößen sollen die Schnittgeschwindigkeit, der Vorschub, die Schnitttiefe, die Trocken- und die Nasszerspanung, die Anlasstemperatur des Werkstücks sowie der Schneideckenradius und die Verschleißmarkenbreite des Werkzeugs berücksichtigt werden. Ziele der Prozessregelung sind die Einstellung einer gewünschten Oberflächenrauheit, die Einstellung einer vorwiegend durch Kornfeinung und Kaltverfestigung induzierten Randschichthärtung sowie die Einstellung von Druckeigenspannungen an und unter der Oberfläche. ... mehr
Für die Oberflächenrauheit soll ein quantitatives Modell der gemittelten Rautiefe identifiziert werden. Die Randschichtverfestigung soll durch Vickers Mikrohärtemessungen quantifiziert und ebenfalls modelliert werden. Die Tiefenverläufe der axialen und der tangentialen Normalspannungen werden durch geeignete Kennwerte charakterisiert und modelliert. Weiterhin soll ein recheneffizientes FE-Modell zur Simulation von Eigenspannungen entwickelt werden, das auf thermomechanischen Werkstücklasten beruht. Damit sollen Tendenzen des analytischen Eigenspannungsmodells mittels Mechanismenwissen erklärt und bestätigt werden.

The goal of the thesis is the identification of analytical process models for the prediction and adjustment of surface states in order to enable the controlled turning of AISI 4140. The surface states aimed at are a low surface roughness, mechanically induced nano-crystalline white layers and compressive residual stresses. The regarded process pa-rameters and thus model inputs are the cutting velocity, the feed, the depth of cut, dry and emulsion cutting, the tempering state of the workpiece, the tool corner radius and the tool wear. The surface topography is quantified by the roughness Rz, while the sur-face work hardening and the microstructural state are quantified by the increase of the Vickers hardness HV 0,005 in the specimen cross section. ... mehrFurthermore, the axial and the tangential normal components of the workpiece stress tensor are analyzed. Not only the surface values are modeled, but also the minimum stress values and the in-depth range of the stresses. The high measurement costs and the complex generation mech-anisms motivate the simulation of workpiece residual stresses by the Finite Element Method, which is presented as well. The developed Finite Element model is based on thermomechanical loads, which act on the workpiece and represent the tool engage-ment and the chip formation. The FE-Simulation permits to understand and confirms trends of the empirical-analytical residual stress models. Thereby robust model depen-dencies are identified, which paves the ground for the adjustment and control of the turning process.