WO2010009862A1 - Verfahren zur fertigbearbeitung einer oberfläche eines werkstückes unter ausbildung eines dritten körpers - Google Patents

Verfahren zur fertigbearbeitung einer oberfläche eines werkstückes unter ausbildung eines dritten körpers Download PDF

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WO2010009862A1
WO2010009862A1 PCT/EP2009/005284 EP2009005284W WO2010009862A1 WO 2010009862 A1 WO2010009862 A1 WO 2010009862A1 EP 2009005284 W EP2009005284 W EP 2009005284W WO 2010009862 A1 WO2010009862 A1 WO 2010009862A1
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WO
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workpiece
tool
cutting edge
cutting
processing tool
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PCT/EP2009/005284
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Martin Dienwiebel
Matthias Weber
Matthias Scherge
Peter Gumbsch
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Universität Karlsruhe
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B23C—MILLING
    • B23C2228/00—Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23C2228/24—Hard, i.e. after being hardened

Definitions

  • the invention relates to a method for finishing a surface of a workpiece to form a third body using a cutting surface finishing tool.
  • the documents DE 103 55 685 A1 and DE 10 2006 036 151 A1 describe methods for forming tribologically stressable surfaces on a workpiece, which provide for two processing steps.
  • a first Processing step the workpiece surface is pre-processed, for example by means of honing, roughing or fine spindles.
  • the pre-machined workpiece surface is nitrided by laser to form a pocket structure.
  • the enema can not be systematically controlled but is subject to the conditions imposed by the end user on the component at the beginning of its use.
  • the tribological system or the formation of the third body is subject to a stochastic fluctuation with respect to its microstructure, its thickness and chemical composition, which has an effect on the expected friction and wear behavior and makes its predictability even more difficult or impossible, or in the worst case Case, the life of the component is rapidly degraded.
  • a method for finishing a surface of a workpiece to form a third body using a cutting surface treatment tool is characterized in that a machining surface finishing tool is used, with the local energy input during the removal of at least one finished surface end area is created, of which near-surface Tribomutationstik starts or adjacent to the near-surface Tribomutations für.
  • the surface treatment tool is provided with a cutting edge, whose cutting edge rounding r ß largely corresponds to a depth of cut h, with which the cutting edge penetrates into the workpiece during the surface treatment.
  • the cutting edge rounding r ⁇ may differ materially from the depth of cut h in a range of 0.1 h ⁇ r ß ⁇ 4 h.
  • the surface treatment tool interacts with the finished surface to be machined, with the specification of a machining speed v c, such that a) the plastic surface is subjected to a plastic deformation in which it undergoes a shear stress, by which a yield stress that can be assigned to the surface region is achieved, b ) the final surface area to be completed is subjected to an expansion rate increase to at least 10 s -1 , followed by a strain rate decrease of the same order of magnitude as the strain rate increase, and c) the surface end area to be completed is subjected to a temperature increase of at least 1 -10 3 Ks -1 followed by a cooling phase with a rate of temperature change comparable to that in the heating phase.
  • cutting surface finishing tool is to be understood as meaning all tools that have geometrically determined or indefinite Have cutting that interact with the workpiece surface in a material-removing interaction.
  • FIG. 1 representation of the geometry and process parameters using the example of a
  • FIG. 2a diagram illustrating the load history of a near-surface material point after a one-time
  • FIG. 2b Diagram showing the time course of the
  • FIG. 2c diagram showing the time course of the
  • FIG. 3 shows a diagram of metrologically determined coefficients of friction
  • FIG. 1 schematically illustrates a machining process in which a chip is separated from the surface of a workpiece using a geometrically determined cutting edge.
  • the figure here serves only to explain the principle and is therefore only to be regarded as a special case as will be explained below.
  • Other processes in the field of manufacturing processes in which the principle can be applied are in particular the separation with geometrically-undetermined cutting edge such as grinding, but also in their characteristics similar processes such as extrusion, where by the targeted strong plastic Stress in the near-surface area can be achieved by correspondingly selected process parameters comparable combinations of load and state variables and their temporal and local courses.
  • the selectable parameters during the cutting process include the cutting speed v, with which the cutting edge is moved over the workpiece surface to be machined, the cutting depth h, the chip and Open space angle y or a (stochastically distributed and thus not explicitly determined for geom. - undetermined cutting edges), selected cutting edge rounding r ß (stochastically distributed for geom. - undetermined cutting edges) and the possible use of coolants and lubricants.
  • the latter influences on the one hand the friction F R applied during the process in the contact area between tool and workpiece, and on the other hand the chemical-physical configuration of the surface layer.
  • the workpiece undergoes a plastic surface in a surface region leading the cutting edge, the area of the so-called primary shearing zone or the deformation leading zone transformation essentially by a shear stress. If the cutting edge has passed over a surface point on the newly forming surface of the workpiece, then there is essentially a strong, local elongation at this point. If the temporal change takes place between the plastic deformation and the final state with its characteristic elongation in a short temporal succession, then intrinsic material structure changes are initiated, which ultimately lead to the formation of third bodies.
  • the above processing conditions must be performed within a very short period of time, preferably within fractions of a millisecond, in the immediate temporal sequence at the location of the workpiece surface to be machined.
  • FIG. 2a is an example of a characteristic Stress history of a near-surface point on a finished surface of a workpiece shown by means of thermo-mechanically coupled
  • FIG. 2 a shows a diagram in which a plurality of function curves are shown in overlay.
  • a workpiece - to which said near-surface point belongs - is driven from the left in one direction relatively and at a predetermined speed against a fixed-mounted cutting tool, which is equivalent to the process as shown in Figure 1.
  • the fixed tool is moved relative to the workpiece on the surface, wherein the tool causes a material removal by means of machining on the workpiece surface.
  • the workpiece surface undergoes a rapid increase in temperature, due to the leading edge of the cutting plastic deformation and the subsequent separation process by the cutting edge.
  • surface temperatures of up to 400 ° C. are locally achieved.
  • the latter undergoes a rapid temperature drop, depending on the simulation parameter, at least in the example shown here, to half the maximum temperature and within fractions of a millisecond. If one starts from a machining speed with which the tool is guided over the workpiece surface of a few m / min, then the process section shown in the diagram represents a time interval of approximately 1 to 2 ten thousandths of a second.
  • FIG. 2 b shows this functional progression along a time axis representing the comparative elongation rate D, from which it can be read that the time duration for the process of local material removal at a machining point on the workpiece surface is only one or several ten thousandths of a second.
  • the structure of the workpiece is converted from an ordinary microstructure into a nanocrystalline microstructure in a near-surface area, cf.
  • Third body which has an excellent effect on the service life of tribologically stressed components.
  • a surface treatment tool with a cutting edge rounding in the range of the selected depth of cut leads to significantly improved wear properties on the workpiece surface. Nevertheless, it has been shown that cutting edge roundings deviating from the size of the cutting depth also have a metrologically detectable influence on the wear behavior in an improving manner.
  • a surface treatment tool with a cutting edge rounding which is preferably in the range of depth of cut, but may deviate from the depth of cut by a factor of 10 downwards or by a factor of 4, leading to the formation of a third body on a workpiece surface, in particular taking into account the fact that the training behavior for a third body depends on the particular workpiece material.
  • the advantage of the solution according to the approach lies in the fact that the last step of a shaping processing and the tribological conditioning under choice of optimal process parameters of the forming process are combined to form a process step. This makes a significant cost and effort reduction possible.
  • the new finishing process thus makes it possible either to completely omit an intake program or to significantly shorten this process, since the third body can already be formed during machining to the geometric final dimension.
  • Other finishing steps such as polishing or surface layer technologies may also be omitted, since the method can achieve a very high dimensional accuracy and surface quality, right up to the direct end installation of movable components treated in their functional groups.
  • the new method results in improved stability as well as a larger operational and application corridor at the beginning of the use phase of the mechanical system.
  • the method according to the invention can basically be applied to all tribologically loaded functional surfaces in mechanical systems, such as shaft journals, slide bearings, piston rings, cylinder liners or even ball bearings etc. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter Ausbildung eines dritten Körpers unter Verwendung eines spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges. Die Erfindung zeichnet sich durch die Kombination folgender Verfahrensschritte aus: Bereitstellen eines Oberflächenbearbeitungswerkzeuges mit einer Schneide, deren Schneidkantenverrundung rß in etwa einer Schnitttiefe h entspricht, mit der die Schneide während der Oberflächenbearbeitung in das Werkstück eindringt, Kontaktieren des Oberflächenbearbeitungswerkzeuges mit der fertig zu bearbeitenden Oberfläche unter Vorgabe einer Bearbeitungsgeschwindigkeit vc derart, dass a) im Bereich einer dem Oberflächenbearbeitungswerkzeug vorauseilenden Verformungsvorlaufzone eine plastische Verformung mit einer Scherbeanspruchung erfolgt, durch die eine dem Oberflächenbereich zuordenbare Fließspannung erreicht wird, b) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Dehnratenanstieg auf wenigstens 10 s-1 unterworfen wird, gefolgt von einem Dehnratenabfall in der gleichen Größenordnung wie der Dehnratenanstieg, und c) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Temperaturanstieg von wenigstens 1-103 Ks-1 unterworfen wird, gefolgt von einer Abkühlphase mit einer Temperaturänderungsgeschwindigkeit vergleichbar jener in der Erwärmungsphase.

Description

Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter
Ausbildung eines dritten Körpers
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter Ausbildung eines dritten Körpers unter Verwendung eines spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges.
Stand der Technik
Die Leistungsdichte in modernen mechanischen Maschinen, wie zum Beispiel von Verbrennungsmotoren nimmt aufgrund von Gewichtsreduzierung und Leistungssteigerung ständig zu. Auf Werkstoffe und die Funktionsoberflächen, die Gleit- oder Rollreibung unterworfen sind, wirken deshalb stark gestiegene Reibleistungen bzw. Reibenergiedichten, siehe hierzu M. Dienwiebel, M. Scherge, Nanotribology in automotive industry, in Fundamentals of Friction and Wear, Eds. E. Gnecco, E. Meyer, Springer, Berlin Heidelberg, 2007, pp. 549-560. In vielen mechanischen Anwendungen haben daher klassische Werkstoffe die Grenze ihrer tribologischen Belastbarkeit erreicht.
Zur Steigerung der Robustheit bzw. Widerstandsfähigkeit von tribologisch relevanten Bauteilen wurden diese im Rahmen eines so genannten Einlaufprozesses des gesamten mechanischen Systems, in dem das jeweilige Bauteil integriert ist, konditioniert. Dieser Ein lauf prozess wurde bei Großmotoren, z.B. Nutzfahrzeuge und Schiffsmotoren, durch ein gezieltes Einlaufprogramm dargestellt, das je nach Motorgröße wenige Minuten bis mehrere Stunden dauert und damit zeit- und kostenintensiv ist. Mit Hilfe von umfangreichen tribologischen und oberflächenanalytischen Methoden konnte gezeigt werden, dass sich unter günstigen Einlaufbedingungen, d.h. bei geeigneter Reibleistung, eine oberflächennahe modifizierte Zone ausbildet, die hinsichtlich ihrer Komstruktur, chemischen Zusammensetzung und ihren mechanischen Eigenschaften, bspw. die Scherfestigkeit betreffend, gegenüber dem Gefüge des Grundwerkstoffes verändert ist. Diese Zone ist in der Literatur unter dem Begriff „Dritter Körper" (engl, „third body") bekannt, siehe auch unter Godet M., „The third body approach: a mechanical view of wear", Wear 1984; 100:437, Godet M. "Third-bodies in tribology", Wear 1990; 136:29 oder Kragelski IV, Dobychin MM, „Grundlagen der Berechnung von Reibung und Verschleiß", Berlin: VEB-Verlag Technik, 1977. Ebenso finden sich in der Literatur zur Beschreibung dieser Zone Begriffe wie „Mechanically mixed layer", Tribologically Transformed Structure (TTS) oder im deutschsprachigem Raum teilweise auch „Tribomutation".
Aus der DE 10 2006 017 990 A1 geht u.a. ein Verfahren zur Bearbeitung von Bohrungen, insbesondere zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen von Motorblöcken bei Brennkraftmaschinen hervor, mit dem es möglich sein soll Tribomutationsschichten oder Dritte Körper gezielt in der Endphase der Bearbeitung eines Werkstückes zu erzeugen, um den bearbeiteten Werkstücken bereits vor Beginn der bestimmungsgemäßen Verwendung besonders vorteilhafte tribologische Eigenschaften zu verleihen und somit die ansonsten erforderlichen Einlaufprozesses zu vermeiden. Hierzu wird vorgeschlagen ein Bearbeitungswerkzeug zu verwenden, das in eine Honmaschine adaptierbar ist und über eine Bearbeitungsfläche verfügt, die glatt und frei von Schneidmitteln ist.
In den Druckschriften DE 103 55 685 A1 und DE 10 2006 036 151 A1 sind Verfahren zur Ausbildung tribologisch beanspruchbarer Flächen an einem Werkstück beschrieben, die zwei Bearbeitungsschritte vorsehen. In einem ersten Bearbeitungsschritt wird die Werkstückoberfläche vorbearbeitet, bspw. mittels Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln. In einem zweiten, nachfolgenden Arbeitsschritt wird die vorbearbeitete Werkstückoberfläche mittels Laser unter Ausbildung einer Taschenstruktur nitriert.
Durch eigene Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Ausprägung bzw. das Vorhandensein des dritten Körpers direkt mit kleinen Verschleißraten, im Bereich von ca. 1-50 nm/h, und niedriger Reibung korreliert ist, siehe hierzu Scherge M, Shakhvorostov D, Pöhlmann K. Fundamental wear mechanism of metals. Wear 2003; 255:395.
In vielen Anwendungen kann der Einlauf jedoch nicht systematisch gesteuert werden, sondern unterliegt den Bedingungen die der Endanwender dem Bauteil zu Beginn seiner Nutzung auferlegt. Dadurch unterliegt das tribologische System bzw. die Ausbildung des Dritten Körpers bezüglich seiner Mikrostruktur, seiner Dicke und chemischen Zusammensetzung einer stochastischen Schwankung, die sich auf das zu erwartende Reibungs- und Verschleißverhalten auswirkt und dessen Vorhersagbarkeit zusätzlich erschwert bzw. unmöglich macht, bzw. im ungünstigsten Fall die Lebensdauer des Bauteils rapide herabsetzt.
Darstellung der Erfindung
Es besteht daher die Aufgabe ein Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter Ausbildung eines dritten Körpers unter Verwendung eines spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges derart weiterzubilden, so dass es möglich ist eine Tribomutationsschicht an der Oberfläche eines Werkstückes unter Vorgabe die Tribumutationsschicht definierenden Eigenschaften bestimmungsgemäß herzustellen, d.h. es gilt verfahrenstechnische Bedingungen konkret anzugeben, unter denen sich die Tribomutationsschicht mit Bestimmtheit ausbildet und dies in einer vorbestimmten Ausprägung. Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf genannte Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter Ausbildung eines dritten Körpers unter Verwendung eines spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges dadurch aus, dass ein spanabhebendes Oberflächenbearbeitungswerkzeug verwendet wird, mit dem durch lokalen Energieeintrag während des Abtrags wenigstens ein fertig gestellter Oberflächenendbereich geschaffen wird, von dem die oberflächennahe Tribomutationsschicht ausgeht, bzw. an den die oberflächennahe Tribomutationsschicht angrenzt. Hierzu wird das Oberflächenbearbeitungswerkzeug mit einer Schneide bereitgestellt, deren Schneidkantenverrundung rß einer Schnitttiefe h weitgehend entspricht, mit der die Schneide während der Oberflächenbearbeitung in das Werkstück eindringt. Die Schneidkantenverrundung rß kann materialbedingt von der Schnitttiefe h in einem Bereich von 0,1 h < rß < 4h abweichen. Das Oberflächenbearbeitungswerkzeuges tritt unter Vorgabe einer Bearbeitungsgeschwindigkeit vc mit der fertig zu bearbeitenden Oberfläche derart in Wechselwirkung, dass a) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich eine plastische Verformung erfährt, bei der dieser eine Scherbeanspruchung erfährt, durch die eine dem Oberflächenbereich zuordenbare Fließspannung erreicht wird, b) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Dehnratenanstieg auf wenigstens 10 s"1 unterworfen wird, gefolgt von einem Dehnratenabfall in der gleichen Größenordnung wie der Dehnratenanstieg, und c) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Temperaturanstieg von wenigstens 1 -103 Ks"1 unterworfen wird, gefolgt von einer Abkühlphase mit einer Temperaturänderungsgeschwindigkeit vergleichbar jener in der Erwärmungsphase.
Unter dem Begriff des spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges sind all jene Werkzeuge zu verstehen, die über geometrisch bestimmte oder unbestimmte Schneiden verfügen, die mit der Werkstückoberfläche in eine Materialabtragende Wechselwirkung treten.
Durch die Kombination experimenteller Arbeiten mit numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Erzeugung einer nanokristallinen Mikrostruktur, bereits im Prozeß der Formgebung unter Wahl der lösungsgemäß erkannten Prozeßparameter gezielt eingestellt werden kann. Durch Indenter- und Mikrostrukturanalysen wurde eine Verfestigung infolge plastischer Verformung im Mikrometerbereich gemessen bzw. oberflächennah eine tribologisch günstige nanokristalline Struktur festgestellt. Somit kann eine tribologische Konditionierung in den letzten Schritt der Fertigung implementiert werden. Im Folgenden werden der Experimentaufbau und das erzielende Ergebnis dargestellt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung der Geometrie- und Prozessparameter am Beispiel eines
Zerspanprozesses, Fig. 2a Diagramm zur Illustration der Belastungsgeschichte eines oberflächennahen materiellen Punktes nach einem einmaligen
Durchlauf des Zerspanprozesses, Fig. 2b Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes der
Vergleichsdehnrate, Fig. 2c Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Verlaufes der
Vergleichsdehnung,
Fig. 3 Diagrammdarstellung messtechnisch ermittelter Reibwerte und
Fig. 4 Diagrammdarstellung messtechnisch ermittelter
Verschleißgeschwindigkeiten. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist schematisiert ein Zerspanprozess illustriert, bei dem ein Span von der Oberfläche eines Werkstückes unter Verwendung einer geometrisch bestimmten Schneide abgetrennt wird. Die Abbildung dient hier lediglich zur Erläuterung des Prinzips und ist daher auch nur als ein Spezialfall anzusehen wie im folgenden noch begründet wird. Weitere Verfahren aus dem Bereich der Fertigungsverfahren bei denen das Prinzip angewandt werden kann sind insbesondere das Trennen mit geometrisch-unbestimmter Schneide wie zum Beispiel dem Schleifen, aber auch in ihrer Charakteristik ähnlich geartete Prozesse wie zum Beispiel das Strangpressen, bei denen durch die gezielte starke plastische Beanspruchung im oberflächennahen Bereich durch entsprechend gewählte Prozessparameter vergleichbare Kombinationen von Belastungs- und Zustandsgrößen und deren zeitliche und örtliche Verläufe erreicht werden können.
Die wählbaren Parameter beim Zerspanprozess (siehe H. K. Tönshoff und B. Denkena: Spanen, Springer-Verlag, Berlin, 2004) sind u.a. die Schnittgeschwindigkeit v, mit der die Schneide über die zu bearbeitende Werkstückoberfläche verfahren wird, die Schnitttiefe h, der Span- und Freiflächenwinkel y bzw. a (stochastisch verteilt und somit nicht explizit bestimmt für geom. -unbestimmte Schneiden), gewählte Schneidkantenverrundung rß (stochastisch verteilt für geom. -unbestimmte Schneiden) und der mögliche Einsatz von Kühl- und Schmierstoffen. Letzterer beeinflußt einerseits die während des Prozesses anliegende Reibung FR in der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück, und andererseits die chemisch-physikalische Konfiguration der Randschicht.
Sobald die Schneide mit einer vorgegebenen Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Zustellung, d.h. vorgegebenen Schnitttiefe, in Kontakt mit der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes tritt, erfährt das Werkstück in einem der Schneide vorauseilenden Oberflächenbereich, dem Bereich der sogenannten primären Scherzone, bzw. der Verformungsvorlaufzone eine plastische Umformung im Wesentlichen durch eine Scherbeanspruchung. Hat die Schneide einen Oberflächenpunkt an der sich neu ausbildenden Oberfläche des Werkstückes überfahren, so liegt an diesem Punkt im Wesentlichen eine starke, lokale Dehnung vor. Erfolgt der zeitliche Wechsel zwischen der plastischen Umformung und dem Endzustand mit seiner charakteristischen Dehnung in kurzer zeitlicher Aufeinanderfolge, so werden hierdurch intrinsische Materialstrukturänderungen initiiert, die letztlich zur Ausbildung Dritter Körper führen.
Während des Bearbeitungsprozesses durchwandert somit ein Punkt, der später nahe der Oberfläche des fertigen Werkstücks und somit potentiell im zukünftigen direkten Kontaktbereich zu liegen kommt, eine komplexe Belastungsgeschichte. Diese ist lösungsgemäß durch die folgenden Bearbeitungszustände näher charakterisierbar:
a) einer sehr stark ausgeprägten und früh einsetzenden Scherbeanspruchung bis zum Erreichen der Fließspannung, die der Schneide als plastische Welle vorauseilt b) einem extrem starken Dehnratenanstieg im Material auf > 10 s"1 und anschließendem ebenso stark ausgeprägtem Abfall auf ~ 0 s "1 sowie c) einer starken lokalen Temperaturerhöhung ≥ 1 -103 Ks -1 sowie anschließender stark ausgeprägter Abkühlphase, deren zeitliche Temperaturänderung von vergleichbarer Größenordnung ist wie der Temperaturanstieg der Aufwärmphase.
Die vorstehenden Bearbeitungszustände gilt es innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, vorzugsweise innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde, in unmittelbarer zeitlicher Abfolge am Ort der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zu durchlaufen.
Zur bestimmungsgemäßen Ausbildung eines Dritten Körpers als Oberflächennahe Schicht an einem Werkstück gilt es daher die Prozessparameter, mit denen die Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird, exakt aufeinander abzustimmen und dies insbesondere unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften des jeweils zu bearbeitenden Werkstückes. In Figur 2a ist exemplarisch eine charakteristische Belastungsgeschichte eines oberflächennahen Punktes an einer fertig gestellten Oberfläche eines Werkstückes gezeigt, die mittels thermo-mechanisch gekoppelter
FE-Simulation gewonnen wurde.
Figur 2a zeigt ein Diagramm, in dem mehrere Funktionskurven in Überlagerung dargestellt sind. Hierbei sei angenommen, dass ein Werkstück - zu dem besagter oberflächennaher Punkt gehört - von links kommend in einer Richtung relativ und mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gegen ein fest montiertes Spanabhebendes Werkzeug gefahren wird, was gleichbedeutend ist mit dem Prozeß wie er in Abbildung 1 dargestellt ist. Dabei wird das fixierte Werkzeug relativ zum Werkstück über dessen Oberfläche bewegt, wobei das Werkzeug einen Materialabtrag im Wege der Zerspanung an der Werkstückoberfläche bewirkt. Die konstanten Werte bei x=0 entsprechen demnach den Parametern in dem materiellen Punkt zum Anfang der Simulation. Es läßt sich anhand der Temperaturkurve T erkennen, dass von Raumtemperatur ausgehend die Werkstückoberfläche einen rapiden Temperaturanstieg erfährt, bedingt durch die der Schneide vorauseilenden plastischen Umformung und den sich anschließenden Trennprozess durch die Schneide. Im dargestellten Fall werden lokal Oberflächentemperaturen von bis zu 400 0C erreicht. Nach Überfahren der Schneide über den Oberflächenpunkt an der neu gebildeten Werkstückoberfläche erfährt dieser einen raschen Temperaturabfall, in Abhängigkeit der Simulationsparameter, zumindest bei dem hier gezeigten Beispiel, auf die Hälfte der maximalen Temperatur und dies innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde. Geht man von einer Bearbeitungsgeschwindigkeit, mit der das Werkzeug über die Werkstückoberfläche geführt wird, von einigen m/min aus, so stellt der in dem Diagramm dargestellte Prozessausschnitt ein Zeitintervall von ca. 1 bis 2 Zehntausendstel Sekunden dar.
Betrachtet man sich die gleichfalls in dem Diagramm dargestellte Funktion der von- Mises-Spannung σv, so rührt der hohe Spannungswert am linken Rand des Diagramms von der plastischen Umformung im Bereich vor der Schneide her. Nach dem Trennvorgang nimmt die von-Mises-Spannung deutlich ab. Hervorzuheben ist jedoch die durch den in die Werkstückoberfläche im Wege der Zerspanung induzierte Scherspannung und die sie hervorrufende Vergleichsdehnrate, die als peakförmiger Funktionsverlauf D weitgehend Lageidentisch mit dem Ort des Temperaturmaximums überlagert.
In Figur 2b ist dieser die Vergleichdehnrate D repräsentierende Funktionsverlauf längs einer Zeitachse dargestellt, anhand der ablesbar ist, dass die Zeitdauer für den Prozess des lokalen Materialabtrages an einem Bearbeitungspunkt an der Werkstückoberfläche lediglich ein oder mehrere Zehntausendstel Sekunden beträgt. Dies verdeutlicht die hohe Dynamik, mit der die Werkstückoberfläche der beschriebenen Bearbeitungshistorie unterworfen wird und die maßgeblich für die lösungsgemäße Ausbildung einer Oberflächennahen Schicht eines Dritten Körpers verantwortlich ist.
Anhand des Diagramms in Figur 2c ist ersichtlich, dass sich eine Vergleichsdehnung von über 1 innerhalb der vorstehend beschriebenen Prozesszeitspanne einstellt, d.h. Werkstückbereiche erfahren innerhalb einiger weniger zehntausendstel Sekunden eine Verformung, die im Falle einer eindimensionalen Dehnung auf die zweifache Länge entspräche. Dies verdeutlicht auch die extrem kurzzeitige Einwirkung auf das Oberflächenmaterial des Werkstückes, die mit einer erheblichen Materialstrukturverzerrung verbunden ist und mit dazu beiträgt eine Materialstruktur eines Dritten Körpers zu generieren.
Experimentell konnte die gewünschte Ausbildung eines Dritten Körpers an einem Werkstück aus 90MnCrV8 nachgewiesen werden, indem das Werkstück an seiner zu bearbeitenden Oberfläche mit einer geometrisch bestimmten Schneide in den folgenden sechs Verfahrensvarianten behandelt wurde:
Figure imgf000012_0001
Durch diese komplexe und insbesondere hochdynamische Belastungsgeschichte wird in einem oberflächennahen Bereich das Gefüge des Werkstücks von einer gewöhnlichen Mikrostruktur in eine nanokristalline Mikrostruktur überführt, s.o. Dritter Körper, die sich hervorragend auf die Standzeit tribologisch hoch beanspruchter Bauteile auswirkt.
Experimentelle Untersuchungen an den aus 90MnCrV8 bestehenden Werkstücken, die mit den aus der vorstehenden Tabelle entnehmbaren
Oberflächenbehandlungsparametern in der lösungsgemäßen Weise Oberflächen endbearbeitet worden sind, bestätigen die Verbesserung der mechanischen Verschleißeigenschaften. So wurden sowohl die Reibungs- als auch die Verschleißeigenschaften der im Rahmen der Versuche i bis vi mit den jeweils angegebenen Parametern behandelten Werkstückoberflächen messtechnisch erfasst. Hierzu wurde jeweils ein Reibkörper über die lösungsgemäß behandelte Werkstückoberfläche geführt und dabei der Reibwert μ sowie die Verschleißgeschwindigkeit vv [nm/h] ermittelt. In Figur 3 sind die ermittelten Reibwerte μ zu den einzelnen in den Versuchen i bis vi behandelten Werkstücken in Bezug zu den Bearbeitungsgeschwindigkeiten vc, mit denen das jeweilige Oberflächenbearbeitungswerkzeug über die zu behandelnde Werkstückoberfläche geführt worden ist, dargestellt. Zum einen zeigt sich, dass der jeweils ermittelte Reibungwert μ abnimmt je größer die Bearbeitungsgeschwindigkeit vc gewählt wird. Zum anderen ist zu erkennen, dass der Einsatz eines Schneidwerkzeuges mit einer Schneidkantenverrundung von 60 μm deutlich geringere Reibwerte an der Werkstückoberfläche hervorruft als der Einsatz eines Schneidwerkzeuges mit einer Schneidkantenverrundung von 10 μm. Eine vergleichbare Tendenz spiegelt sich auch in Anbetracht der Verschleißgeschwindigkeit wider, die in der Diagramdarstellung in Figur 4 zu entnehmen ist. Auch in diesem Fall kann festgehalten werden, dass der Verschleiß geringer ausfällt, d.h. die Verschleißgeschwindigkeit niedriger ist, wenn ein Schneidwerkzeug mit einer Schneidkantenverrundung von 60 μm verwendet wird (siehe die Fälle ii, iv, vi). Auch führt eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit vc zu einem verbesserten, d.h. geringeren Verschleiß.
Die experimentell gewonnenen Ergebnisse untermauern das derzeitige Verständnis über die Ausbildung eines den Verschleiß eines Werkstückes beeinflussenden Dritten Körpers in der Weise, dass die Wahl eines
Oberflächenbearbeitungswerkzeuges mit einer Schneidkantenverrundung im Bereich der gewählten Schnitttiefe zu deutlich verbesserten Verschleißeigenschaften an der Werkstückoberfläche führt. Gleichwohl zeigt sich, dass auch von der Größe der Schnitttiefe abweichende Schneidkantenverrundungen einen messtechnisch erfassbaren Einfluss auf das Verschleißverhalten in einer verbessernden Weise haben. Somit lässt sich feststellen, dass ein Oberflächenbearbeitungswerkzeug mit einer Schneidkantenverrundung, die vorzugsweise im Bereich der Schnitttiefe liegt, jedoch von der Schnitttiefe um den Faktor 10 nach unten oder um den Faktor 4 nach oben abweichen kann, zur Ausbildung eines Dritten Körpers an einer Werkstückoberfläche führt, insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das Ausbildungsverhalten für einen Dritten Körper von dem jeweiligen Werkstückmaterial abhängt. Denkbar ist daher durchaus der Fall, dass für bestimmte Werkstückmaterialien oder für bestimmt vorkonditionierte Werkstücke, die bpsw. einer Wärmebehandlung unterzogen worden sind, die Wahl von einer Schneidkantenverrundung, die von der jeweils gewählten Schnitttiefe h abweicht zu besseren Verschleißeigenschaften führen kann als im Falle von rp = h. Dies gilt es jeweils in Abhängigkeit des Werkstückmaterials geeignet anzupassen.
Der Vorteil des lösungsgemäßen Ansatzes liegt darin, dass der letzte Schritt einer formgebenden Verarbeitung und die tribologische Konditionierung unter Wahl der optimalen Prozeßparameter des Umformprozesses zu einem Prozessschritt zusammengefaßt werden. Damit ist eine deutliche Kosten- und Aufwandsreduktion möglich.
Da die Belastungsgeschichte maßgebend für die Ausprägung des Dritten Körpers ist, wird ersichtlich, dass ein Einstellen eines tribologisch optimalen Dritten Körpers durch verschiedene, aber in ihrem Prinzip ähnliche Verfahren erreicht werden kann. Da eigene Untersuchungen sich gezielt dem Prozeß des Mikrozerspanens (gehört u.a. zu den Endbearbeitungsverfahren) widmen und der Aufbau des Dritten Körpers in der Nähe der so genannten minimalen Schnitttiefe nachgewiesen werden konnte, können gleichwohl auch neben dem Trennen mit geometrisch bestimmter Schneide auch Verfahren des Trennens mit geometrisch unbestimmter Schneide lösungsgemäß und analog zum beschriebenen Verfahren eingesetzt werden.
Durch das neue Endbearbeitungsverfahren ist es somit möglich, ein Einlaufprogramm entweder komplett wegzulassen oder diesen Prozeß deutlich zu verkürzen, da bereits bei der Bearbeitung auf das geometrische Endmaß der dritte Körper ausgebildet werden kann. Weitere Endbearbeitungsschritte wie Polieren oder Randschichttechnologien können evtl. ebenfalls entfallen, da sich mit dem Verfahren eine sehr hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte erzielen läßt bis hin zum direkten Endeinbau damit behandelter beweglicher Bauteile in deren Funktionsgruppen. Mit Hilfe des neuen Verfahrens ergibt sich eine verbesserte Stabilität sowie ein größerer Betriebs- und Anwendungskorridor zu Beginn der Nutzungsphase des mechanischen Systems.
Das lösungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich an allen tribologisch belasteten Funktionsflächen in mechanischen Systemen anwenden, wie etwa Wellenzapfen, Gleitlager, Kolbenringe, Zylinderlaufbahnen oder auch Kugellager etc.. Bezugszeichenliste
T Temperaturverlauf σv von-Mises-Spannung D Vergleichsdehnrate

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fertigbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes unter Ausbildung eines dritten Körpers unter Verwendung eines spanabhebenden Oberflächenbearbeitungswerkzeuges, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines Oberflächenbearbeitungswerkzeuges mit einer Schneide, deren Schneidkantenverrundung rp in etwa einer Schnitttiefe h entspricht, mit der die
Schneide während der Oberflächenbearbeitung in das Werkstück eindringt, Kontaktieren des Oberflächenbearbeitungswerkzeuges mit der fertig zu bearbeitenden Oberfläche unter Vorgabe einer Bearbeitungsgeschwindigkeit vc derart, dass a) im Bereich einer dem Oberflächenbearbeitungswerkzeug vorauseilenden Verformungsvorlaufzone eine plastische Verformung mit einer Scherbeanspruchung erfolgt, durch die eine dem Oberflächenbereich zuordenbare Fließspannung erreicht wird, b) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Dehnratenanstieg auf wenigstens 10 s"1 unterworfen wird, gefolgt von einem Dehnratenabfall in der gleichen Größenordnung wie der Dehnratenanstieg, und c) der fertig zu stellende Oberflächenendbereich einem Temperaturanstieg von wenigstens 1 -103 Ks"1 unterworfen wird, gefolgt von einer Abkühlphase mit einer Temperaturänderungsgeschwindigkeit vergleichbar jener in der Erwärmungsphase.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberflächenbearbeitungswerkzeug ein Werkzeug zum Schneiden mit geometrisch bestimmter Schneide eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Oberflächenbearbeitungswerkzeug ein Schneidoder Zerspanwerkzeug mit geometrisch unbestimmter Schneide eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenbearbeitungswerkzeug mit einer Eindringtiefe von 1 μm bis 500 μm in das Werkstück eindringt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schneidkantenverrundung ein Radius zwischen 5 μm und 500 μm gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Oberflächenbearbeitung zwischen dem Werkstück und dem Oberflächenbearbeitungswerkzeug ein Kühl- und/oder Schmiermittel eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke verwendet werden, deren fertig bearbeitete Funktionsflächen tribologisch belastbare Funktionsflächen darstellen.
8. Verfahren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit vc aus einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 1 und 1000 m/min, vorzugsweise 1 und 150 m/min gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schneidkantenverrundung rp gilt: 0,1 h < rß ≤ 4h
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