Gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften beim Drehen zur Vorhersage und Verbesserung der Wechselfestigkeit von Bauteilen am Beispiel von martensitischem Stahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547705202

Die spanende Endbearbeitung bildet oftmals den finalen Schritt zur Erzeugung dynamisch beanspruchter Bauteile. Dabei werden neben der Makrogeometrie die Oberflächenfeingestalt sowie die Randschichteigenschaften, welche die Schwingfestigkeit beeinflussen, eingestellt. Aufgrund dessen besteht ein hohes Interesse, diese Oberflächeneigenschaften funktionsorientiert auszulegen und robust zu erreichen. Die Wirkzusammenhänge zwischen dem Bearbeitungsprozess und den resultierenden Bauteil- sowie Funktionseigenschaften sind noch nicht vollständig verstanden. Darüber hinaus werden sie von Störgrößen, wie bspw. dem Werkzeugverschleiß, überlagert. Darauf wird aktuell durch entsprechende Korrektur- und Sicherheitsfaktoren reagiert. Eine Steigerung der Ressourceneffizienz ist anhand einer gezielten Anpassung der Eigenschaften der Bauteilrandschicht sowie eine Überwachung der Oberflächeneigenschaften bzw. Prozessregelung möglich. Um dies zu ermöglichen, soll das Prozessverständnis bei der Drehbearbeitung am Beispiel des Stahls X46Cr13 erweitert werden. Grundlage hierfür bildet die Integration von Sensorik zur Erfassung von Acoustic-Emission-Signalen, Seebeck-Strom und -Spannung sowie der Komponenten der Zerspankraft. Auf dieser Basis erfolgen systematische Untersuchungen zu Einflüssen der Kühlschmierstrategie, der Schnittwerte, der Werkzeuggeometrie bzw. des -verschleißzustandes sowie des Wärmebehandlungszustandes der Probekörper. In diesem Zusammenhang werden geeignete Methoden zur Datenverarbeitung ermittelt und relevante Messgrößen bestimmt. Nach der Bearbeitung werden die geometrischen Oberflächeneigenschaften der Probekörper mittels taktiler sowie optischer Messmethoden und REM analysiert. Darauf basierend sollen Kenngrößen zur Bewertung der Oberflächenfeingestalt definiert werden. Weiterhin erfolgen eine Charakterisierung der Randschicht sowie Wechselfestigkeitsuntersuchungen. Ausgehend von den Prozesseingangsgrößen sowie den In- und Ex-Situ-Messgrößen wird ein Modell erstellt, welches die Wirkzusammenhänge anhand von Korrelationen abbildet. Neben der Verwendung der Daten zur Erstellung des Modells soll dieses zur Vorgabe relevanter Versuchskombinationen für die spanende Bearbeitung genutzt werden. Im Ergebnis wird das Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Schnittwerten, Werkzeuggeometrie, -verschleißzustand, Wärmebehandlungszustand und resultierenden Oberflächeneigenschaften bei der Drehbearbeitung erweitert. In diesem Zusammenhang wird die Eignung ausgewählter In-situ-Messgrößen zur Prozessüberwachung und -bewertung quantifiziert. Weiterhin werden Möglichkeiten und Grenzen zur Steigerung der Wechselfestigkeit durch eine angepasste Schneidkantengeometrie abgeleitet. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Oberflächen- und Funktionseigenschaften in Abhängigkeit von den mechanischen Beanspruchungen sowie dem Wärmeeintrag, was eine Vorhersage sowie Steigerung der Wechselfestigkeit spanend bearbeiteter Bauteile erlaubt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen