Analyse und Modellierung der thermomechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften beim Einlippentiefbohren von Bauteilen aus Vergütungsstahl

Abstract

Die Randzoneneigenschaften von Bauteilen sind entscheidend für deren Funktionseigenschaften und werden durch die bei der Fertigung eingesetzten Bearbeitungsprozesse maßgeblich beeinflusst. Insbesondere bei spanenden Fertigungsverfahren wie dem Bohren entstehen durch die, während des Prozesses auftretenden, thermomechanischen Belastungen Veränderungen, sowohl an der Bohrungsoberfläche als auch im Randzonengefüge. Die mechanischen Lasten können dabei eine plastische Deformation des Randzonengefüges verursachen und damit verbunden zu einer Einebnung der Bohrungsoberfläche, Gefügeverfeinerung, Verfestigungseffekten sowie der Entstehung von Druckeigenspannungen beitragen. Zu hohe thermische Lasten können hingegen zu ermüdungsfestigkeitsmindernden Defekten in der Bauteilrandzone führen, wie der Bildung von Neuhärtungsschichten, die als „white-etching layer“ bezeichnet werden. In dieser Dissertation wird das Ziel verfolgt, durch technologische Untersuchungen grundlegende Erkenntnisse zur prozessbedingten Randzonenbeeinflussung beim Einlippentiefbohren des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT zu erlangen. Dabei liegt ein Fokus auf der Analyse der prozessbedingten mechanischen und thermischen Randzonenbelastungen, die bei unterschiedlichen Prozessparametern auf die Bohrungsrandzone wirken. Die resultierenden Randzoneneigenschaften werden analysiert und hinsichtlich der Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit bewertetet. Die grundlegenden Erkenntnisse und Ergebnisse der technologischen Untersuchungen dienen als Grundlage für Modelle, um die prozessbedingten Randzonenveränderungen beim Einlippentiefbohren mittels Finite-Elemente-Simulation vorherzusagen. Das Einlippentiefbohren wurde dabei als Verfahren mit besonders hohem Potential zur mechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften identifiziert, da aufgrund des asymmetrischen Werkezugaufbaus eine relativ hohe Passivkraft am Werkzeugkopf entsteht, die über Führungsleisten an die Bohrungswand übertragen wird. Durch die Analyse der thermomechanischen Werkzeug- und Randzonenbelastungen mittels eines dafür entwickelten Versuchsaufbaus werden geeignete Prozessparameter identifiziert, um bereits während des Tiefbohrens die Randzonenintegrität gezielt zu beeinflussen und damit verbundene Funktionseigenschaften einzustellen. Zur Abdeckung eines breiten Spektrums an Prozessbedingungen, werden Untersuchungen unter Variation der Werkzeuggestalt, der Schnittwerte und der Kühlschmierstrategie durchgeführt und die jeweiligen Auswirkungen auf das thermomechanische Belastungskollektiv in Verbindung mit den Beurteilungskriterien der Randzoneneigenschaften analysiert. Die Finite-Elemente-Simulation des Einlippentiefbohrprozesses ermöglicht eine Vorhersage der resultierenden Randzonenveränderungen. Durch die Simulationen des Spanbildungsvorgangs an der Werkzeugschneide können die auf die Bohrungsrandzone wirkenden Temperaturen vorhergesagt und eine zu hohe thermische Randzonenbelastung durch die Wahl entsprechender Schnittwerte vermieden werden. Die Simulation der mechanischen Randzonenbeeinflussung durch die Führungsleisten ermöglicht eine Vorhersage der Eigenspannungsverläufe in der Bohrungswand und ermöglicht eine Gegenüberstellung mit Randzonennachbehandlungsverfahren wie der hydraulischen Autofrettage. Die Erkenntnisse der technologischen und numerischen Untersuchungen stellen die Grundlage dar, um bereits während des Tiefbohrens die angestrebte Randzonen¬integrität einzustellen und so kosten- und ressourcenintensive nachgelagerte Verfahren zur Randzonennachbehandlung einzusparen.