Segmentspanbildung, Werkzeugverschleiß, Randschichtzustand und Bauteileigenschaften

An die Lebensdauer hochbelasteter Bauteile wie Verdichterräder in Turboladern werden aufgrund der steigenden Relevanz von Ressourcen- und Energieeffizienz wachsende Ansprüche gestellt. Diese Bauteile werden häufig aus Leichtbaumaterialien wie Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen oder Titanlegierungen hergestellt. Wegen ihrer guten mechanischen und thermischen Materialeigenschaften wird häufig die Titanlegierung Ti-6Al-4V eingesetzt. Bei der zerspanenden Bauteilherstellung von Komponenten aus Ti-6Al-4V führt deren hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einem geringen E-Modul und einer geringen Wärmeleitfähigkeit zu großen Belastungen der verwendeten Werkzeuge, was zu einem besonders schnellen Verschleißwachstum führt. Der Verschleiß am Werkzeug ist gekennzeichnet durch eine Änderung der idealen Werkzeuggeometrie, wodurch die Prozessbedingungen beeinflusst werden. Veränderte Prozessbedingungen führen wiederum zur Beeinflussung der erzielbaren Bauteiloberflächen in Form von makroskopisch erkennbaren Rauheiten bis hin zu Mikrodefekten der Randschicht. Diese Beeinflussung des Bauteilzustandes führt zu einem veränderten Bauteilverhalten bei Funktionsbauteilen und zu einer Variation der Lebensdauer bei hoch beanspruchten Bauteilen. Sowohl der Werkzeugverschleiß als auch die resultierenden Bauteilzustände und -eigenschaften nach der Zerspanung werden von den Prozessparametern und der Werkzeuggeometrie beeinflusst. Die Kenntnis des Verschleißfortschritts und der dadurch beeinflussten Bauteilqualität ermöglicht eine Optimierung der Prozessbedingungen. Um dies zu erreichen, werden in der vorliegenden Arbeit Simulationsmodelle vorgestellt, die ausgehend von Zerspanungssimulationen über die Simulation des Werkzeugverschleißes sowie der resultierenden Bauteilzustände und -eigenschaften eine ganzheitliche Prozessoptimierung ermöglichen. Mittels umfangreicher zerspanungstechnologischer Untersuchungen erfolgt neben einer Prozesscharakterisierung die Validierung der Simulationsmodelle. In der abschließenden Prozessoptimierung wird gezeigt, dass bei gezielter Prozessparameterwahl eine hervorragende Kombination aus Werkzeugstandzeit und den damit erreichbaren Bauteileigenschaften erzielt werden kann.