J. Sölter

Influence of turning parameters on distortion of bearing rings

The turning of bearing rings often leads to undesired form and dimensional changes after heat treatment which are referred to as distortion. In order to investigate the influence of cutting parameters on distortion, external longitudinal turning experiments were conducted. After machining the ring geometry and the residual stresses around the rings’ circumference were measured. The residual stresses were then released by a subsequent heat treatment. After the heat treatment the ring geometry was measured again. The results show that the residual stresses induced by the machining process correlate well with the dimensional changes after heat treatment. The cutting parameters that have the highest influence on the dimensional changes are the feed rate and the depth of cut. Residual stresses induced by soft-machining lead to an increase of the ring diameter, depending on the machining parameters.

Einfluss von Maschinenstellgrößen auf die Eigenspannungszustände beim Drehen von Wälzlagerringen

Kurzfassung Das Ziel der durchgeführten Arbeiten war, den Einfluss unterschiedlicher Bearbeitungsparameter auf die Eigenspannungen von bearbeiteten Ringen aus GKZ-geglühtem Stahl 100Cr6 zu untersuchen. Die mittleren tangentialen Eigenspannungen als Funktion des Vorschubs f, der Schnitttiefe ap und der Schnittgeschwindigkeit vc wurden nach der Drehbearbeitung mit insgesamt 36 Messungen auf der Ringaußenfläche an unzertrennten Ringen ermittelt. Um Informationen über die Verteilung der Eigenspannungen im Ringquerschnitt zu erhalten, wurden Eigenspannungstiefenverläufe für ausgewählte Bearbeitungsparameter und Positionen auf dem Ringumfang aufgenommen. Für den untersuchten Parameterbereich von Maschinenstellgrößen zeigen die Ergebnisse Zugeigenspannungen auf der Oberfläche, die mit steigendem Vorschub zunehmen. Die Eigenspannungen sinken mit steigender Schnitttiefe etwas ab. Die Schnittgeschwindigkeit hat im untersuchten Bereich einen geringen Einfluss. Die gemessenen Eigenspannungstiefenverläufe an unterschiedlichen Umfangspositionen des Rings zeigen lediglich an der Oberfläche einen signifikanten Unterschied. Infolge einer Erhöhung des Vorschubs steigen die Eigenspannungswerte sowohl im Zug- als auch im Druckbereich an. Der qualitative Verlauf ändert sich mit der Variation des Vorschubs nicht. Die Tiefenverteilungen der Eigenspannungen lassen sich mit einem einfachen eindimensionalen Schichtenmodell unter Berücksichtigung der thermisch-mechanischen Beeinflussung durch die Zerspanung erklären.

Enhanced method for the evaluation of the thermal impact of dry machining processes

From today’s point of view the modelling of machining operations is a promising tool to extend the productivity and the precision of future industrial manufacturing. The importance of predictive simulation and compensation of thermally induced workpiece deformation during machining is especially important in dry machining because of the absence of cooling lubricants. Since the simulation results mainly depend on the boundary conditions of the model, a detailed knowledge of them is necessary. In this case the most important boundary condition is the intensity and possibly the distribution of the surface heat flux representing the heat flow into the workpiece resulting from the chip formation. The surface heat flux cannot be measured directly. One possible way to determine surface heat fluxes is to employ a thermal model of the machining process and match simulated and measured time and space dependent temperature fields. This procedure is time-consuming and is in most cases subjective because the congruency of temperature fields is rated manually, e.g. by the position of single isotherms. Therefore an enhanced method for the determination of surface heat fluxes is proposed in this paper. The method is based on nonlinear optimisation techniques and a simple finite difference scheme for numerical solution of the heat equation (WORHP-FDM). The procedure is objective between repeat measurements and works in a fully automated manner. The implementation is validated by the comparison to an analytical solution of the moving heat source based on the model of Carslaw and Jaeger and then applied to measured thermal images from milling experiments.

Influence of the turning process on the distortion of disks for gear manufacture

This study presents investigations on the fundamental mechanisms of part distortion during the machining of disks (cylindrical gear base bodies). The work focuses on the effects of machining induced residual stresses and inhomogeneous material removal. In this context the workpiece clamping was investigated as a major impact factor on the distortion. In order to analyze and describe the complex shape deviations, an appropriate distortion characterization method was developed. Since the distortion of disks directly affects the gear wheel quality, the results will help to understand the formation of gear distortion as well as to reduce and compensate it.

INFLUENCE OF CLAMPING STRATEGIES ON ROUNDNESS DEVIATIONS OF TURNED RINGS

During turning of rings, shape deviations occur due to clamping. These deviations can be minimized by using optimized clamping fixtures. However, for small batch production with varying ring diameters the application of simple clamping techniques, e.g., three-jaw-chucks, is favorable from an economic point of view. In this paper, strategies for reducing the roundness deviations of turned rings by using a three-jaw-chuck (hard jaws for external clamping and segment jaws for internal clamping) will be introduced. Within this study results from finite element analyses and roundness measurements are presented and discussed. The simulations and measurements agree reasonably well and show that the minimal out-of-roundness strongly depends on the interaction of the angular shift between external and internal clamping with the deviation between segment jaw diameter and inner ring diameter.

Influence of characteristic material properties on machinability under high speed cutting

New tool materials, high performance spindle systems and intelligent driving systems make possible a drastic increase in the cutting speed for machine tools. High Speed Cutting (HSC) can lead to enhanced surface qualities and lower cutting forces. With a view to the state of the art, it can be pointed out that the scientific basics of HSC are not well-known. Therefore, the aim of this presented investigation was to determine the influence of different mechanical, thermal and structural workpiece material properties on chip formation mechanism under HSC conditions. The results show that for certain materials, a significant decrease of the resultant force with increasing cutting speed exists. Machining of high precision component parts with high cutting speeds should be favourable since lower process forces should lead to a reduction of elastic workpiece deformation during machining.

Modellentwicklung zur Minimierung von Geometrieabweichungen

Kurzfassung In der Trockenbearbeitung In der Trockenbearbeitung sind vor allem die mit der Temperaturbelastung des Werkstücks einhergehenden Geometrieabweichungen, insbesondere bei hochpräzisen Bauteilen, problematisch. An der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen wird ein neuartiges Hybridmodell zur prädiktiven Minimierung von Formabweichungen entwickelt und validiert, das die Einflüsse aus thermoelastischen Werkstückverformungen und zerspanbedingten Eigenspannungen auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen zusammenführt.

Einfluss charakteristischer Werkstoffeigenschaften auf die Zerspanbarkeit bei hohen Schnittgeschwindigkeiten

Kurzfassung Bei der spanenden Bearbeitung ändert sich mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Art der Spanbildung. Dieser Effekt wird von den Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs wesentlich beeinflusst. Aus diesem Grunde wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens die Spanbildungsmechanismen bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verschiedener metallischer Werkstoffe untersucht. Ziel der Forschungsarbeiten war es, durch eine Variation der mechanischen, thermischen und strukturel-len Werkstoffeigenschaften, deren Einfluss auf die Spanbildung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu ermitteln. Dazu wurde bei Versuchen zum Außenlängsdrehen die Übergangsschnittgeschwindigkeit vHSC ermittelt, welche den Bereich der konventionellen Zerspanung von der Hochgeschwindigkeitszerspanung abgrenzt. Die Variation der thermischen und mechanischen Werkstoffeigenschaften wurde durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe realisiert. Die gezielte Veränderung mikrostruktureller Werkstoffeigenschaften erfolgte durch ausgewählte Wärmebehandlungen vor der Zerspanung.

Compensation Strategies for Thermal Effects in Dry Milling

In dry machining of high precision parts shape deviations mainly arise due to thermo-elastic expansion during cutting and machining induced residual stresses. In order to meet higher quality standards when applying the ecologically and economically favourable concept of dry machining, predictive compensation strategies have to be developed which take into account the aforementioned causes for shape deviations. This work presents a newly developed hybrid model integrated in an optimisation algorithm that allows to systematically identify such compensation strategies. Both mechanisms contributing to the shape deviations of machined workpieces are implemented as sub-models applying the Finite Element Method. Aiming at a minimisation of total shape deviations the Simultaneous Analysis and Design approach is utilised. The overall optimisation procedure shows to be time-efficient and is able to find milling strategies leading to a significant reduction of shape deviations. When considered individually, the hybrid model is able to predict each of the two mechanisms, deformation due to machining induced residual stresses and uneven material removal due to thermo-elastic expansion, very well. Experiments based on the predicted milling strategies lead to a substantial reduction of shape deviations and show that additional mechanisms should be implemented for a further process optimisation.