Modellgestützte Schätzung prozessinduzierter Rekristallisationsmechanismen in der Zerspanung

Meurer, Markus Joachim; Bergs, Thomas; Münstermann, Sebastian

doi:HT031037839

Modellgestützte Schätzung prozessinduzierter Rekristallisationsmechanismen in der Zerspanung = Model-based prediction of process induced recrystallization mechanisms in cutting

Meurer, Markus Joachim^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeMarkus Meurer

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-266-5

ReiheInnovations in Manufacturing Technology ; 04/2025

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03639
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1009720/files/1009720.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Modellierung (frei) ; Randzonenmodifikationen (frei) ; ZSPNTF100 (frei) ; Zerspanung (frei) ; surface integrity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Funktionseigenschaften und Lebensdauer gefertigter Bauteile wird maßgeblich von ihren Oberflächeneigenschaften bestimmt. Spanende Fertigungsprozesse, insbesondere das Drehen gehärteter Stähle, induzieren durch die mechanische Trennarbeit ein hohes mechanisches sowie thermisches Lastkollektiv in die Werkstückrandzone. Hieraus resultierende Eigenschaftsänderungen, wie bspw. Änderungen des Eigenspannungszustands oder Rekristallisationsvorgänge, sind ungewünscht, weshalb Fertigungsprozesse sicherheitskritischer Bauteile gegenwärtig mittels aufwändiger empirischer Untersuchungen ausgelegt werden. Eine Überwachung funktionsrelevanter Randzoneneigenschaften mit im Prozess erfassten Messgrößen ist nach heutigem Stand der Technik nicht möglich. Einerseits sind die hierfür erforderlichen Prozesszustandsgrößen, wie Dehnung und Temperatur, im industriellen Prozess nicht oder nur mit sehr geringer Auflösung messbar. Andererseits beruhen im wissenschaftlichen Umfeld verfügbare Modelle zumeist auf numerischen FE-Methoden, welche aufgrund ihres hohen Rechenaufwands und des erforderlichen Expertenwissens nur eingeschränkt industriell einsetzbar sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine schnellrechnende analytische Modellumgebung entwickelt, mit deren Hilfe eine direkte Vorhersage mikrostruktureller Gefügemodifikationen möglich wird. Kernziel dabei war es, die Dicke der White Layer gefertigter Werkstücke abzuschätzen. Die Ausbildung dieser Schichten beruhte für den untersuchten Werkstoff auf dem Mechanismus der dynamischen Rekristallisation. Die Kenntnis der thermischen und mechanischen Werkstückbelastung mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung erlaubte eine mathematische Beschreibung der Initiationsmechanismen dieser Rekristallisation mithilfe der freien Helmholtz-Energie. Zentraler Gegenstand der Dissertation war daher zuerst die Entwicklung eines innovativen Prüfstands zur Berechnung der prozessinduzierten Dehnungen und Dehnraten auf Basis hochauflösender Prozessbilder. Die Digital Image Correlation (DIC) ermöglichte die Analyse der Bewegungslinie einzelner Werkstückpartikel durch die Zerspanzone und, unter der Annahme einer stationären Fließbedingung, die Abbildung der Belastungshistorie einzelner Werkstoffpartikel. Im zweiten Schritt folgten die Entwicklung und Validierung eines analytischen Temperaturmodells. Eingangsgrößen des Modells waren dabei lediglich die Prozessrandbedingungen und die im Prozess gemessene Zerspankraft. Die Kopplung beider hochauflösenden Lastkollektive im Rahmen eines schnellrechnenden Randzonenmodells bildete den Abschluss der Arbeit. Auf diese Weise war es möglich, dynamische Rekristallisation und somit die Ausbildung von White Layer analytisch und ausschließlich auf Basis von im Prozess erfassten Zustandsgrößen zu berechnen. Zukünftig ist somit auch eine Übertragung auf industriell relevante Zerspanprozesse möglich.

The functional properties and service life of manufactured components are largely determined by their surface properties. Manufacturing processes, particularly the turning of hardened steels, induce a high mechanical and thermal load collective in the workpiece rim zone due to the mechanical cutting work. The resulting changes in properties, such as the residual stress state or recrystallization processes, are often undesirable, which is why manufacturing processes for safety-critical components are currently designed using complex empirical studies. Monitoring of functionally relevant rim zone properties with measured variables recorded in the process is not possible according to the current state of the art. On the one hand, the necessary process parameters such as strain and temperature cannot be measured in the industrial process, or only with a very low resolution. On the other hand, models available in the scientific environment are mostly based on numerical FE methods, which can only be used industrially to a limited extent due to their high computational effort and the expert knowledge required. Within the scope of this work, a fast-calculating analytical model environment was therefore developed, with the help of which a direct prediction of microstructural modifications is possible. The main objective was to estimate the thickness of the white layers of manufactured workpieces. The formation of these layers for the material under investigation was based on the mechanism of dynamic recrystallization. The knowledge of the thermal and mechanical workpiece load with high temporal and spatial resolution allowed a mathematical description of the initiation mechanisms of this recrystallization with the help of the free Helmholtz energy. The central subject of the dissertation was therefore initially the development of an innovative test rig for calculating the process-induced strains and strain rates based on high-resolution process images. Digital Image Correlation (DIC) made it possible to analyze the line of movement of individual workpiece particles through the cutting zone and, assuming a stationary flow condition, to map the load history of individual material particles. The second step involved the development and validation of an analytical temperature model. The only input variables for the model were the process boundary conditions, and the cutting force measured during the process. The coupling of both high-resolution load spectra within the framework of a fast-calculating rim zone model formed the conclusion of the work. In this way, it was possible to calculate dynamic recrystallization and thus the formation of white layers analytically and exclusively based on process state variables recorded in the process. In the future, it will also be possible to transfer this to industrially relevant machining processes.

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