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TECHNOLOGIE UND WISSENSCHAFT Simulative Betrachtung von Prozessketten in der Fertigung Im Pro dukt ent stehungs pro zess kom men si mu lations ge stützte Ana ly sen zur Aus le gung von Bau teilen und Pro duk tions an lagen, Werk zeugen und Pro zes sen zum Ein satz. Auch wenn die heute mög lichen Si mu lations tech niken mittler weile die Be trach tung der ge samten Pro zess kette für alle Pro duktions schritte er mög lichen, wird dies in der In dus trie nur äußerst sel ten an ge wen det. Im Fol gen den wird das Po ten zi al der Pro zess ket ten mo del lierung ex em pla risch vor ge stellt. 56 massivUMFORMUNG | SEPTEMBER 2017
TECHNOLOGIE UND WISSENSCHAFT AUTOREN Eric Segebade, M.Sc. ist akademischer Mitarbeiter im Team Zerspanung des Forschungsbereichs Fertigungsund Werk stoff technik am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Dipl.-Ing. Michael Gerstenmeyer ist Teamleiter Zerspanung des Forschungsbereichs Fertigungsund Werk stoff technik am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Dr.-Ing. Frederik Zanger Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze ist Oberingenieur im Forschungsbereich Fertigungs- und Werkstoff technik am wbk Institut für Pro duktions technik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist Institutsleiter des For schungs bereichs Ferti gungs- und Werk stoff technik am wbk Institut für Pro duktions technik und Mitglied der Kollegialen Institutsleitung des Forschungsbereichs Werkstoffkunde am Institut für angewandte Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Bei der Herstellung metallischer Bauteile kann die Prozesskette aus einer Vielzahl von Prozessen, beginnend zum Beispiel beim Umformen bis hin zum Surface Finishing von Funktionsflächen, bestehen. Dabei können sich die Bauteilzustände durch hohe mechanische und thermische Belastungen in den jeweiligen Prozessschritten maßgeblich ändern und die folgenden Prozessschritte hinsichtlich ihrer resultierenden Bauteilzustände nachhaltig beeinflussen. Diese Änderungen wirken sich insbesondere auf Randzonenzustände wie Eigenspannungen oder Verfestigungen und Phasenanteile und -verteilungen oder Änderung des Ge füges aus. Mit Hilfe neuer Kennt nisse über die Wechselwirkungen zwischen Prozessen und Bauteilen können bereits mittels der FEM-Simulation die Eigenschaften von Bauteilen zunächst vorausgesagt und später im Prozess gezielt eingestellt werden. Hierbei stehen besonders die gennanten Charakteristika der Bauteilrandzonen, wie Eigenspannungsverteilungen im Fokus. Diese üben einen gro ßen Ein fluss auf die Eigen schaften bei schwingender oder tribologischer Beanspruchung aus. Die definierte Erzeugung von Bauteilrandzonen, aber auch die schädigungsarme Bearbeitung spielen dabei eine große Rolle. Sowohl in der industriellen Anwendung als auch in aktuellen Forschungsvorhaben haben sich in den Prozessschritten vom Gießen bis hin zum Sur face Finishing von Funk tions flächen je weils spezielle FEM-Simulationen etabliert. Industriell weit verbreitet ist unter anderen die Umformsimulation mit anschließender Wärmebehandlung bezie hungsweise die Simulation von mechanischen Fügeverbindungen. Hier werden Gesenke, Matrizen oder Tiefziehwerkzeuge hinsichtlich der optimalen Materialausnutzung, Faltenbildung oder auch des Werkzeugverschleißes bereits detailliert simulativ untersucht. Die Zerspanung oder auch mechanische Oberflächenbehandlung, die sich im Vergleich zur Umformtechnik durch hohe Scherverformungen bei Dehnraten bis zu Größenordnungen um 10 6 1/s aus zeichnen und in aller Regel als letzte Schritte einer Pro zess kette die finalen Oberflächenzustände erzeugen, werden dagegen im Wesentlichen forschungsseitig auf einem hohen Detaillierungsgrad mittels FEM-Simulationen untersucht. Hierbei stehen die resultierenden Bauteilrandzonenzustände nach der Zerspanung im Fokus, was sich unter dem Be griff „Surface Engineering“ zu sammen fassen lässt. So kann es beispielsweise bei der Zerspanung höherfester Stahlwerkstoffe prozess- und parameterbedingt zur Phasenumwandlung, das heißt Ausbildung von martensitischen Bauteilrandschichten kommen. Diese Randschichten zeichnen sich durch eine hohe Härte, Sprö dig keit und Riss an fäl lig keit aus. Simulativ wurde am Beispiel 42CrMo4 gezeigt, dass eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bei gleicher Zustellung zu martensitischen Randschichten führt [1]. Auch das angewandte Kühlkonzept kann simulativ bewertet werden. So führt beispielsweise der Einsatz von Minimalmengenschmierung zu geringeren Temperaturen und wirkt sich auf die sich aus bildende Rand zone aus [2]. Mit einem de fi nierten Einsatz von Kühlkonzepten kann die Phasenumwandlung in den Randzonen im Vergleich zur Trockenbearbeitung vermieden werden, indem die Prozesstemperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur gehalten wird [3]. Eine weitere Zielgröße ist die Bildung einer reibungsarmen und verschleißresistenten, teils nanokristallinen Mikrostruktur in der Randschicht nach der Zerspanung oder auch mechanischen Oberflächenbehandlung. Die simulative Analyse dieser Prozesse hat gezeigt, dass die Ausprägung nanokristalliner Randschichten neben den Prozessparametern wie Vorschub und Drehzahl auch von der Schneidkantenmikrogeometrie abhängt [4-5]. massivUMFORMUNG | SEPTEMBER 2017 57
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