• Brömmelhoff, Katrin Stefanie
• Böttcher, Katrin

Abstract

Zur Optimierung der Zerspanprozesse mit geometrisch bestimmter Schneide ist ein fundiertes Wissen über den Spanbildungsprozess notwendig, welches jedoch aufgrund der erschwerten messtechnischen Erfassbarkeit der Wirkzone stark limitiert ist. Moderne Quellen für hochenergetische Synchrotronröntgenstrahlung und neue Detektionsmöglichkeiten ermöglichen es nun, in situ Diffraktionsexperimente während des Zerspanprozesses in einem sehr kleinen Volumenelement durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der in situ Röntgenbeugung mit hochenergetischer Synchrotron-Röntgenstrahlung erstmals genutzt, um eine umfassende Untersuchung der Spanbildung während orthogonaler Zerspanexperimente vorzunehmen. Aus den Diffraktionsdaten wurden sowohl Informationen über die mikrostrukturelle Entwicklung in Form von lokalen Mikrodehnungen, Domänengrößen, Stapelfehlerwahrscheinlichkeiten und Vorzugsorientierungen sowie über die örtlich aufgelösten Spannungszustände in der Spanbildungszone gewonnen. Für die Werkstückwerkstoffe Stahl C45E mit krz-Struktur und die Aluminiumlegierung AlCuMg1 mit kfz-Struktur erfolgte anhand der Variation der Spanungsdicke, des Spanwinkels und des Schneidkantenradius eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Spanparameter. Anhand der Messinglegierungen CuZn10, CuZn37 und CuZn40 wurde der Einfluss der Stapelfehlerenergie sowie der Zweiphasigkeit für verschiedene Spanwinkel untersucht. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der maximal auftretenden Spannungen von dem Spanwinkel, sodass diese mit geringerem Spanwinkel ansteigen. Die maximalen Spannungen zeigen keine deutliche Abhängigkeit von der Spanungsdicke und dem Schneidkantenradius, jedoch zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Spannungsgradienten, sodass tendenziell mit kleinerer Spanungsdicke, kleinerem Schneidkantenradius und größerem Spanwinkel stärkere Spannungsgradienten auftreten. Während der Spanbildung findet eine deutliche Abnahme der Domänengrößen und eine Zunahme der Mikrodehnungen statt, wodurch eine Materialverfestigung belegt wird. Die mikrostrukturellen Gradienten zeigen dieselben Abhängigkeiten wie die Spannungsgradienten, wodurch der Zusammenhang zwischen der mikrostrukturellen Entwicklung und der auftretenden Spannungszustände herausgestellt wird. Eine weitere deutliche Materialverfestigung wurde auch in den auftretenden Aufbauschneiden durch die Abnahme der Domänengrößen und die Zunahme der Mikrodehnungen belegt, welche in einem Anstieg der Vergleichsspannungen und der hydrostatischen Anteile resultiert. Zum ersten Mal konnten die Ergebnisse einer Zerspansimulation mit experimentell ermittelten Spannungen verglichen werden. Es wurde geschlussfolgert, dass die auftretenden Abweichungen vorwiegend aus der Vernachlässigung der mikrostrukturellen Entwicklung und einer damit verbundenen Materialverfestigung resultieren. Am Beispiel der Scherwinkelbeziehung von OPITZ und HUCKS wurde gezeigt, dass die experimentellen Daten über die Spannungszustände in der Spanbildungszone herangezogen werden können, um bestehende Spanbildungsmodelle zu überprüfen und zu erweitern. Hier zeigte sich, dass die Annahme eines ungehinderten Spanabflusses nicht gerechtfertigt ist und eine Erweiterung der Beziehung um die Normalspannung in Richtung des abfließenden Spanes erfolgen muss, um den Scherwinkel korrekt zu ermitteln.

Topics

• additive manufacturing
• discrete element method