Investigation of the chip formation of metallic materials by means of in situ X-ray diffraction experiments

Zur Optimierung der Zerspanprozesse mit geometrisch bestimmter Schneide ist ein fundiertes Wissen über den Spanbildungsprozess notwendig, welches jedoch aufgrund der erschwerten messtechnischen Erfassbarkeit der Wirkzone stark limitiert ist. Moderne Quellen für hochenergetische Synchrotronröntgenstrahlung und neue Detektionsmöglichkeiten ermöglichen es nun, in situ Diffraktionsexperimente während des Zerspanprozesses in einem sehr kleinen Volumenelement durchzuführen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der in situ Röntgenbeugung mit hochenergetischer Synchrotron-Röntgenstrahlung erstmals genutzt, um eine umfassende Untersuchung der Spanbildung während orthogonaler Zerspanexperimente vorzunehmen. Aus den Diffraktionsdaten wurden sowohl Informationen über die mikrostrukturelle Entwicklung in Form von lokalen Mikrodehnungen, Domänengrößen, Stapelfehlerwahrscheinlichkeiten und Vorzugsorientierungen sowie über die örtlich aufgelösten Spannungszustände in der Spanbildungszone gewonnen. Für die Werkstückwerkstoffe Stahl C45E mit krz-Struktur und die Aluminiumlegierung AlCuMg1 mit kfz-Struktur erfolgte anhand der Variation der Spanungsdicke, des Spanwinkels und des Schneidkantenradius eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Spanparameter. Anhand der Messinglegierungen CuZn10, CuZn37 und CuZn40 wurde der Einfluss der Stapelfehlerenergie sowie der Zweiphasigkeit für verschiedene Spanwinkel untersucht. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der maximal auftretenden Spannungen von dem Spanwinkel, sodass diese mit geringerem Spanwinkel ansteigen. Die maximalen Spannungen zeigen keine deutliche Abhängigkeit von der Spanungsdicke und dem Schneidkantenradius, jedoch zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Spannungsgradienten, sodass tendenziell mit kleinerer Spanungsdicke, kleinerem Schneidkantenradius und größerem Spanwinkel stärkere Spannungsgradienten auftreten. Während der Spanbildung findet eine deutliche Abnahme der Domänengrößen und eine Zunahme der Mikrodehnungen statt, wodurch eine Materialverfestigung belegt wird. Die mikrostrukturellen Gradienten zeigen dieselben Abhängigkeiten wie die Spannungsgradienten, wodurch der Zusammenhang zwischen der mikrostrukturellen Entwicklung und der auftretenden Spannungszustände herausgestellt wird. Eine weitere deutliche Materialverfestigung wurde auch in den auftretenden Aufbauschneiden durch die Abnahme der Domänengrößen und die Zunahme der Mikrodehnungen belegt, welche in einem Anstieg der Vergleichsspannungen und der hydrostatischen Anteile resultiert. Zum ersten Mal konnten die Ergebnisse einer Zerspansimulation mit experimentell ermittelten Spannungen verglichen werden. Es wurde geschlussfolgert, dass die auftretenden Abweichungen vorwiegend aus der Vernachlässigung der mikrostrukturellen Entwicklung und einer damit verbundenen Materialverfestigung resultieren. Am Beispiel der Scherwinkelbeziehung von OPITZ und HUCKS wurde gezeigt, dass die experimentellen Daten über die Spannungszustände in der Spanbildungszone herangezogen werden können, um bestehende Spanbildungsmodelle zu überprüfen und zu erweitern. Hier zeigte sich, dass die Annahme eines ungehinderten Spanabflusses nicht gerechtfertigt ist und eine Erweiterung der Beziehung um die Normalspannung in Richtung des abfließenden Spanes erfolgen muss, um den Scherwinkel korrekt zu ermitteln.For the optimization of machining processes with geometrically defined cutting edge a fundamental understanding of the chip formation process is necessary. However it is limited due to the hard metrological detectability of the area of action. Modern sources for high energetic synchrotron radiation and new detectors enable in situ diffraction experiments during the cutting process within a very small gauge volume. In the present study the method of in situ diffraction with high-energy synchrotron X-radiation was used for the first time for a comprehensive study of the chip formation process during orthogonal cutting experiments. Information about the microstructural development in terms of local microstrains, domain sizes, stacking fault probabilities and preferred crystal orientations as well as the spatially resolved stress states within the chip formation zone have been obtained from diffraction data. For the workpiece steel C45E with bcc structure and the fcc aluminium alloy AlCuMg1 the influence of the cutting parameters were studied through a variation of the undeformed chip thickness, the cutting edge radius and the rake angle. On the basis of the results from brass alloys CuZn10, CuZn37 and CuZn40 the influence of the stacking fault energy and the influence of a second phase have been investigated for various rake angles. A significant dependence of the maximum stresses on the rake angles was observed. The maximum stresses increase upon a decreasing rake angle. In contrast, the maximum stresses do not show a significant dependence on the undeformed chip thickness and the cutting edge radius. However, a significant dependence of the stress gradients was observed. Stronger stress gradients can be observed with smaller undeformed chip thickness, smaller cutting edge radius and higher rake angles. During chip formation a strong decrease in domain sizes and an increase in microstrains can be observed which proves a strong strain hardening within the chip. The microstructural gradients show identical behaviour as the macroscopic stresses, exhibiting a clear relation between the microstructural development and the evolving stress state. A further strain hardening was proven within the observed built-up edges, due to the decrease in domain sizes and an increase in microstrains. The strain hardening results in an increase in the von Mises stresses and the hydrostatic stresses. For the first time, the results of a cutting simulation could be compared to experimental data. It was concluded that the appearing differences between experiment and simulation are mainly addressed to the disregard of the strong microstructural development and the resulting strain hardening of the material. Using the shear angle relation of OPITZ and HUCKS it could be shown that the experimental data on the stress states in the chip formation zone can be used to verify and extend existing chip formation models. It is shown that the assumption of a free chip flow could not be hold. Therefore, a extension of the relation considering the normal stresses in direction of the chip flow is necessary for a correct calculation of the shear angle