Optimierung von Zerspanungsprozessen zur prozesssicheren Fertigung nanokristalliner Randschichten am Beispiel von 42CrMo4

An das Verschleißverhalten und die Ermüdungslebensdauer hochbelasteter Konstruktionsbauteile werden aufgrund der steigenden Relevanz von Ressourcen- und Energieeffizienz hohe Ansprüche gestellt. Diese Bauteile unterliegen daher meist einer mechanischen Oberflächenbehandlung im letzten Prozessschritt, um Topografie und Randzonenzustände an die Werkstückbeanspruchung anzupassen. Insbesondere die Bildung einer nanokristallinen Randzone hat sich als günstig erwiesen, um tribologisch optimierte Randschichten und ein verbessertes Ermüdungsverhalten von Bauteilen zu erzielen. Durch den Zerspanungsprozess veränderte Bauteilzustände und -eigenschaften werden von den Prozessparametern und von der Werkzeuggeometrie maßgeblich beeinflusst. Erkenntnisse über den Einfluss der Schnittparameter auf die Bildung von nanokristallinen Randschichten ermöglichen eine Optimierung der Prozessbedingungen und der damit einhergehenden Bauteilqualität. Die wesentlichen Schnittparameter sowie die auftretenden thermischen und mechanischen Wechselwirkungen während des Fertigungsprozesses wurden jedoch bisher nicht hinreichend wissenschaftlich untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird ein Simulationsansatz vorgestellt, der eine ganzheitliche Prozessoptimierung ermöglicht. Hierfür wird ein Finite-Elemente-Modell verwendet. Mittels zerspanungstechnologischer Untersuchungen und Analysen der Randzonenzustände erfolgt simultan zur Prozesscharakterisierung die Validierung der Simulation. Die abschließende Prozessoptimierung verdeutlicht, dass bei gezielter Wahl von Schnittparametern und Werkzeuggeometrie eine Bildung nanokristalliner Randschichten erreicht wird und damit die Bauteileigenschaften durch eine spanende Endbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide modifizierbar sind.