Michael_Gerstenmeyer

Dr.-Ing. Michael Gerstenmeyer

  • Campus Süd

Dr.-Ing. Michael Gerstenmeyer

Forschungs- und Aufgabengebiete:

  • Komplementärzerspanung: Kombination von Zerspanung und mechanischer Oberflächenbehandlung
  • Zerspanungssimulation
  • Bewertung von Randschichtzuständen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften

Projekte:

  • DFG: Simulationsgestützte Analyse eines in den Zerspanungsprozess integrierten Oberflächenverfestigungsverfahrens zur gezielten Erzeugung nanokristalliner Randschichten

Dissertation:

Entwicklung und Analyse eines mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahrens unter Verwendung des Zerspanungswerkzeuges

Versuchsstände:

 

Veröffentlichungen

[ 1 ] Gerstenmeyer, M.; Klotz, S.; Zanger, F. & Schulze, V. (2013), „Untersuchungen zum Einspannen von FVK“, MM Maschinenmarkt Composites World, S. 14-17.
Abstract
Faserverstärkte Kunststoffe liegen im trend und müssen nach ihrer meist endkonturnahen Fertigung noch spanend bearbeitet werden, um einsatzfähig zu sein. Was beim Einspannen von Composites zu beachten ist, damit sie nicht beschädigt werden, zeigt folgender Artikel.

[ 2 ] Klotz, S.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2014), „Influence of Clamping Systems During Drilling Carbon Fiber Reinforced Plastics “. Hrsg. Prof. Dragos Axinte, S. 208-213. http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2014.04.036
Abstract
During postprocessing of carbon fiber reinforced plastics, drilling is one of the mostly used machining processes. With increasing complexity of components the requirements on the clamping systems are rising. This paper shows the investigation of drilling tests fordifferent types of clamping positions which are examined regarding their influence on the resulting workpiece quality. The clamping of the planar specimens was realized by 3 and 4 points and by a ring clamping system with variable distances from the drill axis to the fixed points. During the experiments the process forces were measured and the resulting delamination and fiber pullouts at the workpiece surface were determined. The results demonstrate that the distance from the drill axis to the fixed points has a significant influence on the process forces and the achievable workpiece quality.

[ 3 ] Zanger, F. & Gerstenmeyer, M. (2014), „Material Behaviour of Armco-Iron and AISI 4140 at High Speed Deformation during Machining“. WGP Congress 2014, Hrsg. Trans Tech Publications, S. 161-166. 10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.161
Abstract
During machining of metals high temperatures and deformations occur at the surface layers leading to changing component states. Depending on the thermal and mechanical set of stress microstructural changes like residual stresses and grain refinement can be found. Grain refinement is influenced by the amount of deformation. In the present investigations high deformations of the surface layers are realized by using the cutting tool in opposed direction resulting in high negative rake angles. This test setup is used to investigate the material behaviour of Armco-Iron and AISI 4140 at different cutting velocities during machining. Furthermore the flow stresses at different strain rates and temperatures were determined by means of high speed tensile tests. The flow behaviour of the investigated materials is used to explain the results of the machining experiments.

[ 4 ] Zanger, F.; Fellmeth, A.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2015), „Influence of Kinematic Hardening during Machining of ARMCO Iron“. Hrsg. Schulze, V., Elsevier, S. 106-111. http://dx.doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.102
Abstract
The simpler implementation of isotropic hardening begs the question, if modelling kinematic hardening is necessary, especially if the hardening is nonlinear and temperature dependent. This question not only depends on the material, but also on the modelled load case, which varies with different manufacturing processes. To answer this, thermo-mechanically coupled elasto-plastic materials were used in an implicit material model in ABAQUS/Standard for a two-dimensional cutting simulation. The nonlinear hardening in the models varies from isotropic to mixed isotropic-kinematic hardening. The two-dimensional cutting simulation uses a two-dimensional continuous remeshing technique. A slow machining process was simulated leaving out strain rate and temperature dependencies and focussing purely on the kinematics of deformation. The necessity of a kinematically translated yield surface is concluded for iron, by comparing the purely isotropic to the mixed isotropic-kinematic hardening results. A comparison with experimental data illustrates the conformance quality of the different hardening modes.

[ 5 ] Lienert, F.; Gerstenmeyer, M.; Krall, S.; Lechner, C.; Trauth, D.; Bleicher, F. & Schulze, V. (2016), „Experimental Study on Comparing Intensities of Burnishing and Machine Hammer Peening Processes“. Procedia CIRP 45, Hrsg. Elsevier, S. 371-374.
Abstract
Many components in industrial practice need to be finished by surface modification processes in order to assure service properties like fatigue resistance, tribological properties and corrosion resistance. In order to compare the potential of different machine hammer peening (MHP) processes and burnishing Almen strips were treated with three aims: highest deflection, lowest surface roughness and predefined similar process parameters. This paper presents results of the surface layer states, in particular residual stresses, micro hardness and surface roughness in comparison to the deflection of the Almen strips after processing with the above mentioned aims.

[ 6 ] Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2016), „Complementary Machining ? Machining Strategy for Surface Modification“. Elsevier, S. 247-250. doi: 10.1016/j.procir.2016.02.048
Abstract
In metal production mechanical surface treatments are used to optimize workpiece characteristics like fatigue strength. Complementary Machining is a new machining strategy which is characterized by the combination of cutting and mechanical surface treatment. After cutting the insert is used reversely acting as a tool for mechanical surface treatment. This paper shows the effect of high plastic deformation rates in the surface layer reducing surface roughness and increasing strain hardening. Furthermore, it is supposed that the process induces grain refinement in the surface layer. The process strategy Complementary Machining is investigated during machining Armco-Iron and AISI 4140.

[ 7 ] Schulze, V.; Bollig, P.; Gerstenmeyer, M.; Segebade, E. & Zanger, F. (2016), „Surface Engineering - Optimierte Oberflächen durch Zerspanungsprozesse“, mav Innovationsforum 2016, S. 6.
Abstract
Bei der spanenden Bauteilherstellung ändern sich die Zustände der bearbeiteten Oberflächen durch hohe mechanische und thermische Belastungen maßgeblich. Diese Änderungen wirken sich neben topologischen Zuständen wie Rauheiten auf mechanische Zustände wie Eigenspannungen oder Verfestigungen und auf metallographisch erfassbare Zustände wie Phasenumwandlungen oder Änderung der Mikrostruktur aus. Mit Hilfe neuer Kenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Prozessen und Bauteilen werden am wbk Institut für Produktionstechnik in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien-Werkstoffkunde (IAM-WK) mittels Surface Engineering die Eigenschaften von Bauteilen definiert eingestellt. Hierbei stehen besonders Charakteristika der Bauteilrandzonen, wie Eigenspannungs- und Verfestigungszustände, im Vordergrund, die durch den Fertigungsprozess bestimmt werden und einen großen Einfluss auf die Eigenschaften bei schwingender oder tribologischer Beanspruchung besitzen. Die definierte Erzeugung von Bauteilrandzonen, aber auch die schädigungsarme Bearbeitung, spielt dabei eine große Rolle. Am wbk werden zerspanungsbedingte Bauteilzustände und ?eigenschaften in verschiedenen Forschungsprojekten zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen mittels Prozesssimulationen analysiert, um damit zu einer numerisch unterstützten Optimierung des Zerspanungsprozesses zu gelangen.

[ 8 ] Gerstenmeyer, M.; Segebade, E.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Simulation der mechanischen Oberflächenbehandlung mit Simufact Forming“. 18. Roundtable Simulating Manufacturing, Hrsg. Dr. Hendrik Schafstall und Michael Wohlmuth, S. 180-189.
Abstract
Zur spanenden Herstellung metallischer Bauteile sind mehrere Prozessschritte erforderlich. Diese sind bspw. ausgehend vom Halbzeug über Schrupp-Schlicht-Strategien bis hin zum Surface- Finishing. Bei der Schrupp-Schlicht-Strategie folgt einer Zerspanung mit vergleichsweise hohen Schnitttiefen eine Endbearbeitung mit weitaus geringerer Schnitttiefe und angepassten Prozessparametern. Eine Möglichkeit zum Surface-Finishing ist die sog. Komplementärzerspanung. Dabei erfolgt nachfolgend zur Zerspanung eine mechanische Oberflächenflächenbehandlung mit dem eigentlichen Schneidwerkzeug. Charakteristisch ist, dass die Bearbeitungsrichtungen von Zerspanung und Oberflächenbehandlung entgegengesetzt erfolgen. Jeder dieser Prozessschritte beeinflusst die Bauteilzustände in der Randschicht. Die simulative Betrachtung von vorhergehenden Prozessen und der damit einhergehenden Änderung der Randschichtzustände ist für das Prozessverständnis ein elementarer Bestandteil, um optimale Bearbeitungsergebnisse und damit Bauteileigenschaften zu erhalten. Neben der reinen Beschreibung der Fertigungsprozesse muss für eine ganzheitliche Prozessbeschreibung auch das elasto-plastische Materialverhalten mittels geeigneter Materialmodelle beschrieben werden. In dieser Arbeit werden aufbauend auf 2D- und 3D-Spanbildungssimulationen in Simufact Forming eine Mehrfachzerspanung (Schrupp-Schlicht- Strategie) sowie die Komplementärzerspanung vorgestellt. Neben der Betrachtung der Schneidkantenmikrogeometrie stehen auch die resultierenden Randschichtzustände im Mittelpunkt der Untersuchungen.

[ 9 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Zerspanungssimulation mit Simufact Forming“. 18. Roundtable Simulating Manufacturing, Hrsg. Dr. Hendrik Schafstall und Michael Wohlmuth, S. 116-127.
Abstract
Spanbildungsvorgänge an metallischen Bauteilen, wie beispielsweise der Drehprozess, sind gekennzeichnet durch ein thermo-mechanisches Lastkollektiv, welches während des Prozesses auf die der Schneidkante sowie auf das Bauteil und den Span einwirkt. Der Einfluss hoher Temperaturen, Dehnraten und Dehnungen müssen für Werkstoffe charakterisiert werden, um in der Simulation ein realistisches Materialverhalten abzubilden. Dabei stellen auch unsichere Kenntnisse über die Reibungsverhältnisse im realen Prozess eine Herausforderung für die Modellierung dar. Hinzu kommt die Notwendigkeit einer stabilen und effizienten Neuvernetzungs- oder Trennungsroutine zur Realisierung der Spanbildung. Für die Simulation spanabhebender Fertigungsprozesse haben sich aufgrund dieser Umstände in den letzten Jahren geeignete Softwarepaketen international etabliert. Die Eignung der Software Simufact Forming wurde im Rahmen aktueller Arbeiten sowohl für 2D- als auch für 3D-Spanbildungssimulationen demonstriert und anhand von experimentell ermittelten Kräften validiert. Dabei fand auch die Schneidkantenmikrogeometrie Beachtung. Die Mikrogeometrie nimmt nachweislich Einfluss auf die Prozesskräfte sowie die zerspanungsbedingten Randzonenzustände, wie die Gefügestruktur und Eigenspannungsverteilung.

[ 10 ] Schulze, V.; Zanger, F.; Bollig, P.; Segebade, E.; Gerstenmeyer, M. & Klotz, S. (2017), „Randschichtzustände nach Fertigungsprozessen ? Erzeugung und Bewertung“ in Moderne Zerspanungstechnologie - Neue Entwicklungen und trends aus der Forschung und Praxis, Hrsg. Azarhoushang, B. & Wolf, T., Hochschule Furtwangen, Villingen-Schwenningen, ISBN/ISSN: 978-3-8027-3130-3
Abstract
Die spanende Bearbeitung von metallischen Werkstoffen besitzt in der produzierenden Industrie einen hohen Stellenwert. Dabei beeinflusst der spanende Endbearbeitungsprozess mit mechanischer und thermischer Wechselwirkung zwischen Werkstückstoff und Werkzeug die finalen Bauteilzustände. Dabei spielen neben Oberflächenrauheit oder geometrischen Toleranzen auch die Eigenspannungen und Verfestigungen eine wichtige Rolle. Mit Surface Engineering wird die gezielte Prozesssteuerung zur Beeinflussung des Bauteilverhaltens bezüglich der Schwingfestigkeit, der tribologischen Eigenschaften sowie der entstehenden Phasenumwandlungen oder der Mikrostruktur bezeichnet. Unter diesem Gesichtspunkt werden am wbk Institut für Produktionstechnik in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien ? Werkstoffkunde (IAM-WK) neue Fertigungsprozesse entwickelt sowie bestehende Prozesse optimiert. Hierbei werden in Forschungsprojekten experimentelle und simulationsgestützte Methoden angewandt, um das Prozessverständnis zu erhöhen und die geforderten Eigenschaften zu erzielen. Ausgewählte Themen sind die Untersuchung von Werkzeugverschleiß und Randschichtzuständen bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien, die Phasenumwandlung bei der Trockenbearbeitung und der Minimalmengenschmierung (MMS), die Erzeugung von nanokristallinen Randschichten in Abhängigkeit der Schneidkantenmikrogeometrie und auch die am Institut entwickelte Prozessstrategie Komplementärzerspanung.

[ 11 ] Imbrogno, S.; Segebade, E.; Fellmeth, A.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F.; Schulze, V. & Umbrello, D. (2017), „Microstructural and hardness changes in aluminum alloy Al-7075: Correlating machining and equal channel angular pressing“. AIP Converence Proceedings 1896, Hrsg. American Institute of Physics, http://dx.doi.org/10.1063/1.5008112
Abstract
Recently, the study and understanding of surface integrity of various materials after machining is becoming one of the interpretative keys to quantify a product´s quality and life cycle performance. The possibility to provide fundamental details about the mechanical response and the behavior of the affected material layers caused by thermo-mechanical loads resulting from machining operations can help the designer to produce parts with superior quality. The aim of this work is to study the experimental outcomes obtained from orthogonal cutting tests and a Severe Plastic Deformation (SPD) process known as Equal Channel Angular Pressing (ECAP) in order to find possible links regarding induced microstructural and hardness changes between machined surface layer and SPD-bulk material for Al7075. This scientific Investigation aims to establish the basis for an innovative method to study and quantify metallurgical phenomena that occur beneath the machined surface of bulk material.

[ 12 ] Gerstenmeyer, M.; Ort, B.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Influence of the cutting edge microgeometry on the surface integrity during mechanical surface modification by Complementary Machining“. Procedia CIRP, Elsevier, S. 55-60. doi: 10.1016/j.procir.2017.03.185
Abstract
In metal production, mechanical surface modifications are used to optimize workpiece characteristics to improve properties such as fatigue strength. Machining and mechanical surface modification can be integrated in the process strategy Complementary Machining. After machining the cutting tool is used reversely acting as a tool for mechanical surface modification. This paper shows the influence of the cutting edge microgeometry on process forces and temperatures as well as process induced grain refinement in the surface layer during the mechanical surface modification of Armco-Iron and AISI 4140. The mechanical surface modification is simulated in a 3D-FEM-simulation with ABAQUS/Standard.

[ 13 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Cutting Simulations Using a Commercially Available 2D/3D FEM Software for Forming“. Procedia CIRP, Elsevier, S. 73-78. doi: 10.1016/j.procir.2017.03.195
Abstract
Chip formation simulations require either sophisticated material based element removal or deactivation routines, or a powerful remeshing procedure. Therefore the accuracy of all chip formation simulations significantly depends on the FEM-software as well as the material data. Over the course of the past years, a few select commercial programs became the pre-eminent choice for chip formation simulations. In this work, the software simufact.forming, which is not one of those few programs widely in use, has been employed for 2D and 3D chip formation simulations. Orthogonal cutting experiments with AISI4140 were conducted and subsequently modeled, including the cutting edge radius. The results were analyzed with regard to how well chip formation and the resulting process forces in 2D and 3D can be depicted.

[ 14 ] Zanger, F.; Gerstenmeyer, M. & Weule, H. (2017), „Identification of an optimal cutting edge microgeometry for Complementary Machining“, CIRP Annals - Manufacturing Technology, S. 81-84. http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2017.04.026
Abstract
The process strategy Complementary Machining combines machining and surface modification, resulting in optimal workpiece properties like fatigue strength. Right after machining the cutting tool is used reversely acting as a tool for a mechanical surface modification. The challenge of designing a cutting edge microgeometry that withstands the load spectrum and induces optimal surface layer states during Complementary Machining is solvable by modeling the resulting surface layer using FEM-simulation. Using the simulation-based analyses a deep process understanding is accomplished enabling further optimization of surface integrity (e.g. grain refinement) which is proven by measurements.

[ 15 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Simulative Betrachtung von Prozessketten in der Fertigung“, massivUmformung, Band 9, S. 56-59.
Abstract
Im Produktentstehungsprozess kommen simulationsgestützte Analysen zur Auslegung von Bauteilen und Produktionsanlagen, Werkzeugen und Prozessen zum Einsatz. Auch wenn die heute möglichen Simulationstechniken mittlerweile die Betrachtung der gesamten Prozesskette für alle Produktionsschritte ermöglichen, wird dies in der Industrie nur äußerst selten angewendet. Im Folgenden wird das Potenzial der Prozesskettenmodellierung exemplarisch vorgestellt.

[ 16 ] Segebade, E.; Klose, J.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2017), „Mechanical surface modification using cutting inserts“. Proceedings of the 13th ICSP, Hrsg. International Scientific Committee for Shot Peening, S. 219-224.
Abstract
The objective of this work is presenting the foundation of a true integration of mechanical surface modification and machining. This “fusion” entails mechanical surface modification parallel to the cutting process using the cutting insert as tool. While it may seem, that something similar can be achieved through classical vibration assisted machining (VAM), this is definitely not the case. The resulting relative velocity between cutting insert and workpiece will ensure the process to be firmly rooted in cutting rather than hammering of the workpiece. Since creating a setup suitable to address this issue is a big challenge in itself, it is prudent begin by establishing the general feasibility of the process. The first priority is therefore proving that cutting inserts can be used to induce surface layer states similar to those achieved by MHP-processes. The presented work addresses this validation of mechanical surface treatment using cutting inserts regarding topography, residual stresses and work hardening by model experiment.

[ 17 ] Gerstenmeyer, M.; Segebade, E.; Fedder, G.; Zanger, F. & Schulze, V. (2018), „Prozesskettensimulation: Additive Fertigung und spanende Nachbearbeitung“. 19. RoundTable Simulating Manufacturing, Hrsg. Dr. Hendrik Schafstall und Michael Wohlmuth, H., S. 32-45.
Abstract
Nach der additiven Fertigung ist in der Regel ein Zerspanungsschritt an technischen Oberflächen des Bauteils erforderlich, um den Anforderungen an die Oberflächenqualität gerecht zu werden. Zur Sicherstellung dieser Anforderungen kommt zunehmend die simulative Betrachtung von additiven aber auch Zerspanungsprozessen zum Einsatz. Damit einhergehend können insbesondere bei kostenintensiven Prozessen, wie der additiven Fertigung, experimentelle Prozessauslegungen reduziert werden. Für ein ganzheitliches Prozess¬verständnis der Zerspanung ist weiterhin die Betrachtung der vorhergehenden Prozesse und der damit einhergehenden Änderung der Randschichtzustände ein elementarer Bestandteil. In dieser Arbeit wird der additive Herstellungsprozess eines Bauteils aus AlSi10Mg mit Simufact Additive betrachtet. Für die anschließende simulative Betrachtung der Zerspanung werden die resultierenden Bauteilzustände in Simufact Forming importiert. Bei der Spanbildungssimulation muss neben der reinen Beschreibung des Fertigungsprozesses für eine Prozessbeschreibung auch das elasto-plastische Materialverhalten mittels eines geeigneten Materialmodells beschrieben werden. Die simulativen Analysen werden mit experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der wirkenden Prozesskräfte während der Zerspanung analysiert. Abschließend werden diese Ergebnisse mit der Zerspanung von konventionell hergestelltem AlSi10Mg verglichen.

[ 18 ] Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2018), „Influence of Complementary Machining on fatigue strength of AISI 4140“, CIRP Annals - Manufacturing Technology, S. 583-586. 10.1016/j.cirp.2018.04.103
Abstract
Mechanical surface treatment is an additional process step in the process chain of part manufacturing to enhance performance but increasing production time and costs. Hence, different hybrid processes have been developed including Complementary Machining, which does not need a complex tool. Investigations of orthogonal Complementary Machining indicates that optimized cutting edge microgeometries can induce useful surface layer states like nanocrystalline surfaces whilst minimizing tool wear. This paper analyzes the resulting surface layer states (roughness, residual stresses, grain refinement) and their influence on fatigue strength after turning and Complementary Machining for AISI4140q&t. Implementing these analyses a deeper process understanding is accomplished.

[ 19 ] Schulze, V.; Bouzakis, K.; Klumpp, A. & Gerstenmeyer, M. (2018), „Peening“ in CIRP Encyclopedia of Production Engineering, Hrsg. The International Academy for Production, Springer, Berlin, Heidelberg, ISBN/ISSN: 978-3-642-35950-7
Abstract
Peening is defined as an impulsive mechanical surface treatment process which is applied to workpiece surfaces with the common aim to enhance performance through fatigue and wear resistance. Peening is characterized by a near-surface shock induced plastic deformation. It can be subdivided into treatments with guided and unguided tools (Schulze et al. 2016). Treatments with guided tools include, among others, machine hammer peening and laser peening, while shot peening and its variants, micro peening, blasting and ion etching, high-pressure water peening, and cavitation peening are assigned to peen with unguided tools.

[ 20 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2018), „Surface Layer States after Manufacturing Processes - Generation and Evaluation“. Efficiency, Flexibility, Integration - Wiener Produktionstechnik Kongress 2018, Hrsg. Bleicher, F., S. 113-118.
Abstract
The sum of thermo-mechanical loads during manufacturing of metallic parts across process chains defines surface layer states like topography, work hardening state, residual stresses and microstructure evolution. Single processes along the chain influence the final surface layer states depending on their severity and/or position within the process chain. Simulation-based optimization of processes which are applied to nearly finished products can greatly enhance features like wear resistance or fatigue strength. This paper outlines the influence of mechanical finishing on resulting surface layer states. This includes analyses of machined surfaces produced by scientific orthogonal cutting, as well as industrial operations like machining and mechanical surface treatment or combinations thereof.

[ 21 ] Gerstenmeyer, M.; Segebade, E. & Schulze, V. (2019), „Surface Engineering: Innovative Zerspanungsprozesse zur definierten Einstellung von Bauteileigenschaften“, diALOG, S. 48-53.
Abstract
Zerspanungsprozesse sind einer der wichtigsten Prozessschritte bei der Herstellung metallischer Bauteile. Durch diese Prozesse werden Zielgrößen wie die Erreichung der geometrischen Merkmale oder aber auch weitere randschichtnahe Bauteilzustände, wie Eigenspannungen, Korngrößenverlauf oder Phasen, bewusst oder unbewusst eingestellt. Diese Bauteilzustände sind in der späteren Verwendung des Bauteils entscheidend für erreichbare Lebensdauern bspw. unter zyklischer oder tribologischer Beanspruchung. In Zerspanungsprozessen sind Prozessstellgrößen, wie der Vorschub oder die Schnittgeschwindigkeit, wichtige Stellgrößen für die gezielte Einstellung dieser Randschichtzustände. Aber auch der Einsatz von Kühlschmierkonzepten kann eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des thermo-mechanischen Lastkollektives und der damit einhergehenden bauteilseitigen metallphysikalischen Vorgänge spielen. Werkzeugseitig sind Kühlschmierkonzepte bei vielen Zerspanungsprozessen auch deshalb nicht mehr wegzudenken, da durch Einsatz von Kühlschmierstoffen Störgrößen, wie einsetzendem Werkzeugverschleiß, entgegengewirkt werden kann. Durch den Einsatz innovativer Fertigungsprozesse lassen sich also Bauteileigenschaften, wie die Wechselfestigkeit, und die Standzeit von Zerspanungswerkzeugen optimieren. Ergebnis ist eine Erhöhung der Lebensdauer des Bauteils und des Werkzeugs. Gleichzeitig können die optimierten Bauteileigenschaften auch dazu genutzt werden, die Bauteile bei gleicher Leistungsfähigkeit kleiner auszulegen. Hieraus können nicht nur erhebliche Gewichtseinsparungen von schwingenden oder rotierenden Bauteilen sondern auch umfangreiche neue konstruktive Möglichkeiten in der Produktentwicklung resultieren. Die Auslegung und über Fertigungsprozesse realisierte Einstellung von Randschichtzuständen wird Surface Engineering genannt. Surface Engineering ist also eine Methode zur Erhöhung der Ressourceneffizienz in der Fertigung. Die Anwendung des Surface Engineering kann je nach Strategie bereits während der Fertigung Ressourcen schonen oder aber Zusatzaufwände benötigen. Daher ist es im Kontext der Ressourceneffizienz von zentraler Bedeutung, je nach Einsatzbedingungen der zu optimierenden Bauteile etwaige Zusatzaufwände gegenüber dem Einsparpotential über die Bauteillebensdauer abzuwägen. Dabei ist grundsätzlich der verwendete Werkstoff von größter Bedeutung, da er die Möglichkeiten und Grenzen der Bearbeitbarkeit festlegt, sowie die lokal und global erreichbaren Bauteileigenschaften bestimmt. Der Einsatz von Werkstoffen, Hilfsstoffen und Werkzeugen sowie die insgesamt aufgewendete Fertigungszeit und der vollständige Energieeinsatz sollten dazu auf die Prozesskette und die Bauteillebensdauer bezogen werden.

[ 22 ] Gerstenmeyer, M.; Hartmann, J.; Zanger, F. & Schulze, V. (2019), „Adjustment of Lifetime-Increasing Surface Layer States by Complementary Machining“, HTM Journal of Heat Treatment and Materials, Band 3, S. 181-190. 10.3139/105.110376
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.

[ 23 ] Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Dietrich, S.; Zanger, F. & Schulze, V. (2019), „Influence of anisotropy of additively manufactured AlSi10Mg parts on chip formation during orthogonal cutting“. Procedia CIRP 82, Elsevier, S. 113-118. 10.1016/j.procir.2019.04.043
Abstract
Anisotropic behavior of metals can influence manufacturing processes including acting thermo-mechanical loads and resulting surface layer states. In additive manufacturing, the build-up direction influences material states like microstructure, density distribution and stress fields, possibly leading to anisotropic behavior. In this work, additively manufactured AlSi10Mg is characterized in tension tests in order to determine the anisotropic material deformation behavior due to the build-up procedure. This was implemented in 2D cutting simulations using finite element method. Additionally, orthogonal cutting experiments were performed in order to determine process forces and chip formation, which finally were used in order to validate simulations.

[ 24 ] Schulze, V.; Gerstenmeyer, M.; Segebade, E. & Langer, J. (2019), „Surface Engineering: Ressourceneffizienz für die Fertigung von Morgen“. Leitfaden zur Ressourceneffizienz in der Produktion, Hrsg. Wbk Institut für Produktionstechnik, 10.5445/IR/1000098958/v2.
Abstract
Die Herstellung metallischer Bauteile ist seit jeher ein besonders ressourcenintensiver Prozess. In der Vergangenheit wurden die Optimierungspotentiale der Fertigungsprozesse bereits häufig untersucht und insbesondere hinsichtlich Ihres Energieeinsparpotentials weiterentwickelt (VDI ZRE 2013). Die Realisierung der Ressourceneffizienz durch den Einsatz innovativer Fertigungsverfahren zur Herstellung von Produkten mit optimierten Eigenschafften bietet in diesem Kontext eine neue, bisher nicht betrachtete Sichtweise, mit der nicht nur die Energie, sondern auch der Ressourceneinsatz und der ökologische Fußabdruck eines Produktes reduziert werden kann. Durch den Einsatz innovativer Fertigungsprozesse zur Optimierung der Randschicht lassen sich Bauteileigenschaften, wie die Wechselfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die tribologischen Eigenschaften, optimieren. Das Resultat ist eine Erhöhung der Lebensdauer des Bauteils. Gleichzeitig können die optimierten Bauteileigenschaften auch dazu genutzt werden, die Bauteile bei gleicher Leistungsfähigkeit kleiner auszulegen. Hieraus resultieren nicht nur signifikante Gewichtseinsparungen sondern auch umfangreiche neue konstruktive Möglichkeiten in der Produktentwicklung. Da nicht alle erzielbaren Bauteiloptimierungen unmittelbar auf andere Bauteile und Materialien übertragbar sind, wird die spezifische Expertise der fertigungstechnischen Forschungseinrichtungen Baden-Württembergs in diesem Bereich in Zukunft von steigender Bedeutung sein. Eine weitere Effizienzsteigerung wird durch innovative Kombinationsprozesse zur Verkürzung der Prozessketten und Reduzierung des Roh- und Hilfsstoffbedarfs in der Fertigung erreicht. Diese Prozesse zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere Schritte einer Prozesskette in einem Prozessschritt vereint werden. Nur durch die kombinierte Betrachtung optimierter Bauteile und innovativer Fertigungsprozesse lässt sich das volle Potential dieser neuen Technologien erfahren. Entgegen der üblichen Annahme, dass sich Ökologie und Ökonomie gegenseitig ausschließen, zeigen die aktuellen Entwicklungen in der Fertigungstechnik das Gegenteil. Die Wirtschaftlichkeit in der industriellen Produktion und die Reduzierung des Ressourceneinsatzes sowie die Vermeidung von Produktionsabfällen lässt sich, wie dieser Leitfaden zeigen soll, durchaus kombinieren und zu einer Win-Win-Situation hinsichtlich Ökologie und Ökonomie entwickeln. Der Weg um dieses Ressourceneffizienzpotential zu nutzen hat einen Namen: Surface Engineering.

[ 25 ] Langer, J.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2020), „Investigation of automated nibbling as an alternative cutting technology for machining of fiber-reinforced polymers“. Hybrid 2020 - Materials and Structures - Proceedings, Hrsg. DGM - Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V., S. 261-267.
Abstract
Today, milling is the most frequently used process for contour machining and trimming operations of fiber-reinforced polymers (FRP) on an industrial scale. Disadvantages of this process are dust generation as well as machining-related damage such as delamination. An alternative technology for the processing of FRP, with the potential of overcoming these disadvantages, is a punching process with feed called nibbling. This hand-guided process, known from sheet metal processing, has so far only marginally been mentioned for the processing of FRP materials. The aim of this study is to investigate the correlation of workpiece material and process parameters like feed rate with feed forces, tool wear, machining induced damage as well as workpiece cutting edge quality. In order to achieve these objectives, a hand-held nibbling tool was integrated into a machining center to ensure automated and reproducible machining of FRP. Slot nibbling tests were carried out on glass (GFRP) and carbon (CFRP) fiber-reinforced sheet molding compounds (SMC). Force measurements serve as characteristic values to assess the fundamental mechanisms. The evaluation of the workpiece quality as well as surface damage such as delamination, matrix spalling and fiber fraying are carried out by the use of microscopic imaging. The results show fundamental characteristics of nibbling FRP. The work provides a basis for highly productive, automated nibbling of FRP.

[ 26 ] Dehen, S.; Segebade, E.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2020), „Milling parameter and tool wear dependent surface quality in micro-milling of brass“. 5th CIRP Conference on Surface Integrity (CSI 2020), Hrsg. Arrazola, P. J., Elsevier, S. 95-100. 10.1016/j.procir.2020.02.024
Abstract
Short life-time and high tool costs still remain major constraints for the micro-milling process. Understanding the wear mechanisms and their effects on the workpiece quality is essential for efficient tool usage. Usually, wear increases the cutting forces and reduces the emerging surface quality during the micro-milling process. Due to high tool costs, cutting parameters are usually chosen for optimal tool lifetime and/or process time rather than optimal surface quality. The scope of this paper is to investigate the correlation of the process parameters, strategy and wear status of the tool on the resulting surface topography. To reach this goal, micro-milling experiments were conducted, in which several grooves were milled using two end milling tools, new and worn, with a diameter of 1.5 mm and four cutting edges. The cutting speed and feed were varied, as well as the cutting direction. Brass was chosen as workpiece material to ensure a constant wear state of the tools during the experiments. During the cutting process the process forces were recorded and examined for their magnitude and frequency response. Furthermore, the grooves were analyzed optically for their surface roughness. The roughness shows in most cases slightly higher values for the specimen manufactured with the worn tool than the ones done with the new tool. The biggest influence on the surface roughness results from the feed rate, while cutting speed and milling strategy have a smaller influence. The measured cutting forces show similar tendencies, than the resulting surface roughness. The results show also a significant influence of tool wear on the vibration behavior during the process, while the influence of feed rate is mostly negligible. This results partly from the greater tool runout and bigger deviation of the cutting edges.

[ 27 ] Schwalm, J.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2020), „Complementary Machining: Effect of tool types on tool wear and surface integrity of AISI 4140 “. Procedia CIRP 87, CIRP, S. 89-94. 10.1016/j.procir.2020.02.035
Abstract
Complementary Machining is a process strategy for the time-efficient mechanical surface treatment of metallic workpieces. The characteristic of Complementary Machining is that after machining, a mechanical surface treatment is carried out using the cutting tool. The cutting tool moves over the workpiece surface in opposite direction to the machining process and induces an elastic-plastic deformation in the surface layer. Previous investigations have shown the possibility to achieve life-enhancing surface layer states in turning of AISI 4140 with Complementary Machining and to achieve fatigue strengths comparable to those after shot peening. In this paper, the influence of the tool types and process parameters, such as the feed rate, on the resulting topography and the tool wear, represented by changes of cutting edge microgeometry, during Complementary Machining of AISI 4140 are investigated based on the previous investigations. In addition to different substrates of the cutting insert, the focus of the investigations is also on the influence of tool coating. Both the tool wear and the resulting topography were analyzed tactilely and correlated with the process parameters. The results show a clear influence of the used substrate of the cutting insert and coating on the tool wear and the resulting topography.

[ 28 ] Schwalm, J.; Liu, Y.; Söllner, Y.; Gerstenmeyer, M.; Zanger, F. & Schulze, V. (2020), „Komplementärzerspanung - Zerspanung und mechanische Oberflächenbehandlung in einer Aufspannung“, wt Werkstattstechnik online, 10.37544/1436-4980-2020-11-12-7
Abstract
In the manufacturing of highly stressed components, machining is often succeeded by a mechanical surface treatment in order to specifically modify surface layer conditions such as roughness or hardening. In the process of Complementary Machining, machining and mechanical surface treatment are performed in one clamping with the use of the tool. In the following, the potential of Complementary Machining when treating steel 42CrMo4 and aluminum alloy AlCuMgPb with regard to roughness is shown.

[ 29 ] Stampfer, B.; Gonzalez Fernandez, G.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2021), „The Present State of Surface Conditioning in Cutting and Grinding“, Journal of manufacturing and materials processing, Band 5, Nr. 3, S. 1-17. doi.org/10.3390/jmmp5030092
Abstract
All manufacturing processes have an impact on the surface layer state of a component, which in turn significantly determines the properties of parts in service. Although these effects should certainly be exploited, knowledge on the conditioning of the surfaces during the final cutting and abrasive process of metal components is still only extremely limited today. The key challenges in regard comprise the process-oriented acquisition of suitable measurement signals and their use in robust process control with regard to the surface layer conditions. By mastering these challenges, the present demands for sustainability in production on the one hand and the material requirements in terms of lightweight construction strength on the other hand can be successfully met. In this review article completely new surface conditioning approaches are presented, which originate from the Priority Program 2086 of the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

[ 30 ] Stampfer, B.; Gonzalez Fernandez, G.; Segebade, E.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2021), „Material parameter optimization for orthogonal cutting simulations of AISI4140 at various tempering conditions“, Procedia CIRP , Band 102, S. 198-203. 10.1016/j.procir.2021.09.034
Abstract
The mechanical parameters of quenched and tempered AISI4140 and the machining process characteristics are depending on the material?s tempering state. The process characteristics of practical relevance are not only the cutting forces and the tool wear, but also the surface layer states of the machined part. In order to predict and to improve these characteristics efficiently, chip forming simulation via finite element method (FEM) is commonly applied. However, an issue in machining simulation which is often addressed is choosing appropriate material parameters for the flow stress model. This especially accounts for AISI4140 with various tempering conditions, as in many cases the precise heat treatment is not supplied in detail, even in scientific literature. In this work, orthogonal cutting of AISI4140 with tempering temperatures of 300?C, 450?C and 600?C is investigated by experiments and FE simulations. The Johnson-Cook flow stress model is used in the FE simulation. The referring material parameters for the tempering conditions are iteratively adapted via numerical optimization to fit experimental cutting forces. The obtained parameters are compared to literature values in order to prepare a common ground for the cutting simulation of AISI4140. This contributes to an enhanced process modelling when machining AISI4140 with use-case adapted heat treatments.

[ 31 ] Hilligardt, A.; Böhland, F.; Klose, J.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2021), „A new approach for local cutting force modeling enabling the transfer between different milling conditions and tool geometries“. Elsevier, S. 138-143. doi.org/10.1016/j.procir.2021.09.024
Abstract
The modeling of modern high performance machining with intermittent cut and varying effective cutting parameters requires a flexible local cutting force prediction. Due to complex tool geometries and varying cutting conditions without a rigid reference system new approaches for the local cutting force decomposition are applied, investigated and compared. The force decompositions are based on the separation of the effective cutting speed into normal and tangential components to adequately consider the locally acting mechanisms. Regression models based on the effective cutting parameters are defined to compare and validate the local force decomposition. A high feed peripheral milling experiment with specific cutting force measurement is presented to develop the regression models. An extensive cutting force database for AISI 5115 is created by tool geometry and process control variable variations. The effective cutting conditions are calculated through geometric penetration simulation. Considering the tool deflection in the simulation achieves a high regression accuracy even with low chip thicknesses. This is especially important for the cutting force prediction of finishing processes. The resulting regression cutting force models and force decompositions are rated based on the applicability to different tool geometries, like a ball end mill.

[ 32 ] Hilligardt, A.; Klose, J.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2021), „Modelling and prevention of meshing interference in gear skiving of internal gears“, Forschung im Ingenieurwesen, Band 85, doi.org/10.1007/s10010-021-00520-8
Abstract
Gear skiving is a highly productive process for machining of internal gears which are required in large quantity for electric mobility transmissions. Due to the complex kinematics of gear skiving, collisions of the tool and workpiece can occur during the process. Models exist to check for collisions of the tool shank or collisions in the tool run-out. While these models are sufficient for the process design of external gear skiving, at internal gears meshing interfer-ences between tool and workpiece can appear outside the contact plane on the clearance face of the tool. To test for meshing interference requires comprehensive assessment of workpiece, tool and process kinematics. Currently, this is often done by time consuming CAD-simulation. In contrast, this paper presents an automated geometrical model for the analysis of meshing interference. The test for collisions is thereby performed along the whole height of the tool and especially includes constructive clearance angles and eccentric tool positions. The model is developed for user-friendly implementation and practical applications. The model for avoiding meshing interference in gear skiving is validated on two different pro-cess applications. In doing so, influences of the tool and process design on the interference situation are investigated, compared and discussed. Furthermore this new approach enables the prevention of meshing interference or tooth tip collisions in the early tool design by adjust-ing the process kinematics or the tool design itself. The maximal viable tool height can be quantified and recommendations for improving the clearance face situation are suggested.

[ 33 ] Arndt, T.; Klose, J.; Gerstenmeyer, M. & Schulze, V. (2021), „Tool wear development in gear skiving process of quenched and tempered internal gears“, Forschung im Ingenieurwesen, Band 86, doi.org/10.1007/s10010-021-00544-0
Abstract
Gear skiving is a highly productive machining process, especially for manufacturing of high strength internal gears as required for high performance electric drive trains. However, the complex process kinematics cause intense variations of the effective cutting parameters during tool engagement. Thus, particularly the tool must meet high requirements to achieve long tool life at required workpiece quality. These requirements are amplified even more when machining quenched and tempered materials from the massive blank. In the presented study, the influence of various key factors on the tool wear development in gear skiving process are quantified. In several tests, the cutting speed, workpiece tensile strength, cooling lubricant strategy, as well as the cutting strategy are varied in order tooptimize tool life. Therefore, single-tooth tests on quenched and tempered internal gears from 31CrMoV9 (AISI 4340) steel are conducted and wear flank land width evolution of the tools is examined. In addition, the workpiece is evaluated with regard to surface quality. Results reveal that different factor level combinations can have various effects on tool wear characteristics and therefore on tool life. The correlations presented provide recommendations for practical application and contribute to deeper process understanding.