Numerische und experimentelle Untersuchung zerspanungsbedingter Gefügeumwandlungen und Modellierung des thermo-mechanischen Lastkollektivs beim Bohren von 42CrMo4

Bei der Zerspanung beeinflussen Prozess- und Werkzeugparameter die Oberflächenzustände und damit die Funktionalität von Werkstücken in großem Maße. In Abhängigkeit dieser variablen Größen definieren unterschiedliche mechanische und thermische Belastungen die späteren Eigenschaften von Bauteilen. Ein Resultat dieser Beanspruchungen stellen zerspanungsbedingte Gefügeumwandlungen, wie so genannte „white layer“ dar, deren Entstehungsursachen und Charakteristika nicht eindeutig geklärt sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen und experimentellen Untersuchung von Phasenumwandlungen in zerspanten Bauteilrandschichten des Werkstoffs 42CrMo4. Ziel ist es Umwandlungsvorgänge in oberflächennahen Bereichen spanend bearbeiteter Oberflächen numerisch beschreiben und in Abhängigkeit von Prozess- und Werkzeuggeometrieparametern vorhersagen zu können. Um dieses Ziel erreichen zu können, werden je ein eigener Modellierungsansatz für einen Dreh- und einen Bohrprozess verfolgt. Während der untersuchte orthogonale Drehprozess mit Hilfe eines 2D-FE-Zerspanungsmodells mit detaillierter Reibungs- und Wärmeübergangsmodellierung abgebildet wird, muss für den dreidimensionalen Bohrprozess auch die komplexe Prozesskinematik und das sich daraus ergebende thermo-mechanische Lastkollektiv modelliert werden. Um die zerspanungsbedingten Phasenumwandlungen in den bearbeiteten Bauteilrandschichten abbilden zu können, wird die Umwandlungskinetik des Werkstückmaterials unter Berücksichtigung der Kurzzeit-Austenitisierung modelliert. Die entwickelten Modelle werden mit Hilfe von experimentellen Dreh- und Bohrversuchen sowie metallografischen Analysen der bearbeiteten Oberflächen validiert.