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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter June 11, 2019

Adjustment of Lifetime-Increasing Surface Layer States by Complementary Machining∗

Einstellung lebensdauersteigernder Randschichtzustände durch Komplementärzerspanung
M. Gerstenmeyer, J. Hartmann, F. Zanger and V. Schulze

Abstract

During manufacturing of metallic components, thermo-mechanical loadings induce surface layer states like topography or residual stresses, which influence the component properties like fatigue strength. In order to optimize the component properties, a mechanical surface treatment can be carried out after the machining process. In this work, the influence of the process parameters processing velocity and penetration depth on the resulting tool wear during external longitudinal turning of AISI 4140q&t by Complementary Machining is analyzed. The process strategy Complementary Machining (CM) combines machining and mechanical surface treatment using the cutting tool. The mechanical surface treatment takes place after the machining in the opposite machining direction. The results of this study show that the process variables have an influence on the tool wear and thus directly influence the resulting topography. The fatigue analysis shows that the fatigue strength after Complementary Machining is comparable to that of shot peening. Furthermore, the concept of local fatigue strength is used to show the extent that residual stress reduction as a result of cyclic loading affects the fatigue strength.

Kurzfassung

Bei der Herstellung metallischer Bauteile beeinflussen die wirkenden thermo-mechanischen Lastkollektive die Randschichtzustände wie z. B. Topographie oder Eigenspannungen, welche wiederum die Bauteileigenschaften wie die Schwingfestigkeit beeinflussen. Zur Optimierung der Randschichtzustände kann nach dem Zerspanungsprozess eine mechanische Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. In dieser Studie wird der Einfluss der Prozessstellgrößen Bearbeitungsgeschwindigkeit und -tiefe auf den Werkzeugverschleiß bei der Komplementärzerspanung im Außenlängsdrehen am Beispiel des Vergütungsstahls 42CrMo4 analysiert. Die Komplementärzer-spanung kombiniert die Zerspanung mit der mechanischen Oberflächenbehandlung unter Verwendung des Zerspanungswerkzeugs, indem nach der Zerspanung in entgegengesetzter Bearbeitungsrichtung die mechanische Oberflächenbehandlung erfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Prozessstellgrößen Einfluss auf den einsetzenden Werkzeugverschleiß haben und damit unmittelbar die resultierende Topographie beeinflussen. Die Schwingfestigkeitsanalyse zeigt, dass die Schwingfestigkeit nach der Komplementärzerspanung vergleichbar mit der beim Kugelstrahlen ist. Weiterhin wird anhand des Konzepts der lokalen Dauerfestigkeit vorgestellt, inwieweit sich der Eigenspannungsabbau infolge zyklischer Belastung auf die Wechselfestigkeit auswirkt.


Lecture presented at the HeatTreatmentCongress, HK 2018, October 16–18, 2018, Cologne, Germany

4 (Corresponding author/Kontakt)

References

1. Jawahir, I. S.; Brinksmeier, E.; M’Saoubi, R.; Aspinwall, D. K.; Outeiro, J. C.; Meyer, D.; Umbrello, D.; Jayal, A. D.: Surface integrity in material removal processes: Recent advances. CIRP Annals60 (2011) 2, pp. 603626, 10.1016/j.cirp.2011.05.002Search in Google Scholar

2. Devries, M. F.; Field, M.; Kahles, J. F.: Relationship of Surface Roughness and Surface Integrity to Functional Properties. Annals of the CIRP25 (1976) 2, pp. 569573Search in Google Scholar

3. Abboud, E.; Attia, H.; Shi, B.; Damir, A.; Thomson, V.; Mebrahtu, Y.: Residual stresses and surface integrity of Ti-alloys during finish turning – guidelines for compressive residual stresses. Procedia CIRP45 (2016), pp. 5558, 10.1016/j.procir.2016.02.069Search in Google Scholar

4. HassanA. M.; Momani, A. M.: Further improvements in some properties of shot peened components using the burnishing process. Int. J. Mach. Tools Manuf.40 (2000), pp. 17751786, 10.1016/s0890-6955(00)00018-3Search in Google Scholar

5. Amanov, A.; Cho, I. S.; Pyoun, Y. S.; Lee, C. S.; Park, I. G.: Micro-dimpled surface by ultrasonic nanocrystal surface modification and its tribological effects. Wear286–287 (2012), pp. 136144, 10.1016/j.wear.2011.06.001Search in Google Scholar

6. Rodríguez, A.; López de Lacalle, L. N.; Celaya, A.; Lamikiz, A.; Albizuri, J.: Surface improvement of shafts by the deep ball-burnishing technique. Surf. Coat. Techn.206 (2012) 11–12, pp. 28172824, 10.1016/j.surfcoat.2011.11.045Search in Google Scholar

7. Dörr, T.: Auswirkungen von Kugelstrahlen auf das Ermüdungsverhalten von Leichtmetallwerkstoffen auf Titan- und Aluminiumbasis. Dissertation, BTU Cottbus, 2000Search in Google Scholar

8. Scholtes, B.: Eigenspannungen in mechanisch randschichtverformten Werkstoffzuständen. Ursachen-Ermittlung-Bewertung, DGM Informationsgesellschaft mbH, Oberursel, 1991Search in Google Scholar

9. Klotz, T.; Delbergue, D.; Bocher, P.; Lévesque, M.; Brochu, M.: Surface characteristics and fatigue behavior of shot peened Inconel 718. Int. J. Fatigue110 (2018), pp. 1021, 10.1016/j.ijfatigue.2018.01.005Search in Google Scholar

10. Avilés, R.; Albizuri, J.; Rodríguez, A.; López de Lacalle, L. N.: Influence of Low-plasticity Ball Burnishing on the High-cycle Fatigue Strength of Medium Carbon AISI 1045 steel. Int. J. Fatigue55 (2013), pp. 230244, 10.1016/j.ijfatigue.2013.06.024Search in Google Scholar

11. Schulze, V.; Bleicher, F.; Groche, P.; Guo, Y. B.; Pyun, Y. S.: Surface Modification by Machine Hammer Peening and Burnishing. CIRP Annals65 (2016), pp. 809832, 10.1016/j.cirp.2016.05.005Search in Google Scholar

12. Lauwers, B.; Klocke, F.; Klink, A.; Tekkaya, A. E.; Neugebauer, R.; Mcintosh, D.: Hybrid processes in manufacturing. CIRP Annals63 (2014) 2, pp. 561583, 10.1016/j.cirp.2014.05.003Search in Google Scholar

13. Shirsat, U. M.; Ahuja, B. B.: Parametric analysis of combined turning and ball burnishing process. IJEMS Indian J. Engin. Mater. Sci.11 (2004), pp. 391396Search in Google Scholar

14. Axinte, D. A.; Gindy, N.: Turning assisted with deep cold rolling – a cost efficient hybrid process for workpiece surface quality enhancement. Proc. Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture218 (2004) 7, pp. 807811, 10.1177/095440540421800713Search in Google Scholar

15. Axinte, D. A.; Cao, Y. Y.: Innovative design of a hybrid tool for turning assisted with superficial cold forming. J. Mat. Process. Technol.204 (2008) 1–3, pp. 357364, 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.057Search in Google Scholar

16. Maiß, O.; Denkena, B.; Grove, T.: Hybrid machining of Roller Bearing Inner Rings by Hard Turning and Deep Rolling. J. Mater. Process. Techn.230 (2016), pp. 211216, 10.1016/j.jmatprotec.2015.11.029Search in Google Scholar

17. Iwai, M.; Hashimoto, H.; Suzuki, K.: Development of a New Burnishing Method Utilizing a Flank Face of a Turning Tool and its Burnishing Performance. Adv. Mater. Res.1136 (2016), pp. 227232, 10.4028/www.scientific.net/amr.1136.227Search in Google Scholar

18. Zanger, F.; Gerstenmeyer, M.; Weule, H.: Identification of an Optimal Cutting Edge Microgeometry for Complementary Machining. CIRP Annals66 (2017), pp. 8184, 10.1016/j.cirp.2017.04.026Search in Google Scholar

19. Gerstenmeyer, M.; Zanger, F.; Schulze, V.: Influence of Complementary Machining on fatigue strength of AISI 4140. CIRP Annals68 (2018), pp. 583586, 10.1016/j.cirp.2018.04.103Search in Google Scholar

20. Denkena, B.; Reichstein, M.; Brodehl, J.; de Leon-Garcia, L.: Surface Preparation, Coating and Wear Performance of Geometrically Defined Cutting Edges. Proc. 8th CIRP Int. Workshop on Modeling of Machining Operations, May 10–11, 2005, Chemnitz, Germany, R.Neugebauer (Ed.), 2005, pp. 503508Search in Google Scholar

21. Macherauch, E.; Müller, P.: Das sin2ψ-Verfahren der röntgenographischen Spannungsmessung. Z. angew. Phys.13 (1961), pp. 305312Search in Google Scholar

22. Spieß, L.; Teichert, G.; Schwarzer, R.; Behnken, H.; Genzel, C.: Moderne Röntgenbeugung. Vieweg+Teubner, GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 200910.1007/978-3-8349-9434-9Search in Google Scholar

23. Dengel, D.: Die arcsin√P-Transformation – ein einfaches Verfahren zur grafischen und rechnerischen Auswertung geplanter Wöhlerversuche. J. Mater. Techn.6 (1975) 8, pp. 253288, 10.1002/mawe.19750060803Search in Google Scholar

24. Lienert, F.; Hoffmeister, J.; Erz, A.; Schulze, V.: Influence of Piezo Peening on the Fatigue Strength of quenched and tempered AISI 4140. ICSP12, Proc. 12th Int. Conf. on Shot Peening, 15–18.09.14, Goslar, Germany, L.Wagner (Ed.), 2014, pp. 517522Search in Google Scholar

25. Gerstenmeyer, M.: Entwicklung und Analyse eines mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahrens unter Verwendung des Zerspanungswerkzeuges. Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 2018Search in Google Scholar

26. Winderlich, B.: Das Konzept der lokalen Dauerfestigkeit und seine Anwendung auf martensitische Randschichten, insbesondere Laserhärtungsschichten. Mat.-Wiss. u. Werkst.21 (1990) 10, pp. 378389, 10.1002/mawe.19900211006Search in Google Scholar

Published Online: 2019-06-11
Published in Print: 2019-06-14

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