Numerische Untersuchung der Mikrozerspanung zur Analyse der Ursachen des Skalierungsverhaltens der spezifischen Schnittkraft

Die Steigerung der Funktionsdichte wird zumeist durch die kontinuierliche Verringerung der Bauteilgröße erreicht. Mechanische Bauteile mit komplexen Substrukturen im Mikrometerbereich werden häufig mittels Mikrozerspanung hergestellt. Obwohl die Mikrozerspanung ein in der Industrie etabliertes Verfahren darstellt und der Zerspanprozess mit numerischen Methoden umfangreich untersucht wurde, ist der Mikrozerspanvorgang immer noch nicht vollständig erforscht oder verstanden.

Unter Verwendung eines problemspezifischen Werkstoffmodells werden mit Abaqus/Explicit die kontinuumsmechanischen Ursachen für den Größeneffekt der spezifischen Schnittkraft bei der Mikrozerspanung analysiert. Darüber hinaus wird untersucht, welche Auswirkungen hohe Reibbeiwerte und verrundete Kontaktgeometrien auf die auftretenden Verschiebungsfelder haben. Hierbei wird zusätzlich eine externe Neuvernetzung erforderlich. In deren Implementierung wird zur Übertragung der Feldgrößen eine neu entwickelte Methode verwendet, die sich durch eine besonders gering ausgeprägte numerische Diffusion auszeichnet.

Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass der Größeneffekt mit der Scherebenenlänge und der darin anliegenden mittleren von-Mises-Spannung skaliert. Der qualitative Zusammenhang wird darüber hinaus analytisch formuliert und anschließend mittels Vergleich quantitativ bestätigt. Ferner wird aufgezeigt, dass der Einfluss von hoher Reibung und verrundeten Schneidengeometrien auf die berechneten Verschiebungsfelder und die von diesen abgeleitete Größen signifikant ist. Aus diesem Grund hat auch die Beschreibung der Reibung mit großer Sorgfalt zu erfolgen.

Es werden sowohl die Aufbauschneidenbildung als auch die experimentell nachgewiesene Miktrostrukturänderung spanend bearbeiteter Randschichten analysiert. Anhand des berechneten zeitlichen Verlaufs der plastischen Dehnungen, der von-Mises-Spannung und der Temperaturen ist es möglich, die auftretenden Mechanismen der Aufbauschneidenbildung oder der Mikrostrukturänderung kontinuumsmechanisch und werkstoffwissenschaftlich zu begründen.