Chapter 14. Mechanismen der Werkstoffbeanspruchungen sowie deren Beeinflussung bei der Zerspanung mit hohen Geschwindigkeiten

  1. em. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. mult. H. K. Tönshoff and
  2. Dr.-Ing. C. Hollmann
  1. S. Siems,
  2. G. Warnecke and
  3. J. C. Aurich

Published Online: 30 SEP 2005

DOI: 10.1002/3527605142.ch14

Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe

Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe

How to Cite

Siems, S., Warnecke, G. and Aurich, J. C. (2004) Mechanismen der Werkstoffbeanspruchungen sowie deren Beeinflussung bei der Zerspanung mit hohen Geschwindigkeiten, in Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe (eds H. K. Tönshoff and C. Hollmann), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, FRG. doi: 10.1002/3527605142.ch14

Editor Information

  1. Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Universität Hannover, Schönebecker Allee 2, 30823 Garbsen, Germany

Publication History

  1. Published Online: 30 SEP 2005
  2. Published Print: 14 DEC 2004

ISBN Information

Print ISBN: 9783527312566

Online ISBN: 9783527605149

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Keywords:

  • Hochgeschwindigkeitsspanen;
  • Mechanismen der Werkstoffbeanspruchungen;
  • Beeinflussung;
  • Zerspanung mit hohen Geschwindigkeiten

Summary

Phänomene und Mechanismen der Hochgeschwindigkeitszerspanung werden an Werkstoffen mit unterschiedlichen technologischen und physikalischen Eigenschaften untersucht. Dazu werden Modellzerspanversuche mit kontrolliertem Einzelschneideneingriff und konstanter Spanungsdicke durchgeführt. Vergleichende Untersuchungen zur Bestimmung typischer HSC-Kriterien erfolgen an einem Spektrum verschiedener Stahlwerkstoffe mit unterschiedlichem Zerspanverhalten bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Zur Beschreibung der bei diesen Geschwindigkeiten auftretenden Phänomene werden sowohl Zerspankräfte und Körperschall als auch die Spanbildung und die oberflächennahe Randzone untersucht.

Abhängig von den Werkstoffeigenschaften werden unterschiedliche Verläufe der Zerspankräfte in dem untersuchten Schnittgeschwindigkeitsbereich von 500 m/min bis 8000 m/min ermittelt. Die Zerspankräfte nehmen für alle Werkstoffe mit steigenden Schnittgeschwindigkeiten ab. Bei Werkstoffen mit einem Übergang zur Segmentspanbildung beginnt der Schnittkraftabfall mit Einsetzen der Segmentspanbildung. Die Schnittkräfte steigen im untersuchten Schnittgeschwindigkeitsbereich nicht mehr an und nähern sich einem konstanten Niveau. Bei Werkstoffen mit Fließspanbildung im gesamten Schnittgeschwindigkeitsbereich wird ein Anstieg der Schnittkräfte nach einem Minimum festgestellt.

Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten entstehen auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche Aufschmelzungen, was auf das Erreichen der Schmelztemperatur in den Kontaktzonen schließen lässt. In der oberflächennahen Randzone werden Fließschichten mit hohen Verformungsgraden beobachtet. Diese Verformungen nehmen mit steigender Schnittgeschwindigkeit zu. Infolge einer Verfestigung, die mechanisch verursacht ist, und einer Entfestigung, die thermisch verursacht ist, werden unterschiedliche Verläufe der Mikrohärte auf der Werkstückoberfläche gemessen. An einigen Werkstoffen konnten Schwingungsmarken infolge der Spansegmentierung mit Frequenzen im Bereich 100 kHz bis 1 MHz beobachtet werden.

Effects and mechanisms of High Speed Cutting (HSC) are investigated using materials with different technological and physical properties. Therefore model experiments with determined engagements of a single cutting edge with constant undeformed chip section are conducted. Comparative investigations in order to obtain characteristic criterions for HSC are carried out using different steel materials with miscellaneous cutting behaviour at high cutting speeds. In order to describe the effects at high cutting speeds, cutting forces and acoustic emissions as well as the chip formation and subsurface layer of the workpiece are examined.

Depending on the material properties a different behavior of the cutting forces in the analyzed cutting speed range from 500 m/min up to 8,000 m/min were measured. For all materials the cutting forces decrease with increasing cutting speed. For materials, showing a transition from flow chips to serrated chips, the decrease of the cutting forces starts with the beginning of chip segmentation. The cutting forces stop increasing within the examined speed range und approach a constant level. In case of materials, that show a flow chip formation over the complete speed range, a rise of the cutting forces after passing through a minimum can be observed.

At very high cutting speeds areas with smelted surface material fused to the machined workpiece surface are generated implying that the smelting temperature in the contact area was reached. In the subsurface layers of the workpiece a flow layer at high deformation rates can be observed. These deformations increase with rising cutting speed. Due to mechanical induced strain hardening and thermal induced softening a different behavior of the microscopic hardness at the workpiece surface can be measured. For some materials vibration marks due to chip segmentation within the frequency range of 100 kHz to 1 MHz can be observed.