Softsensor basiertes multimodales zerstörungsfreies Prüfsystem zur in-situ Detektion ultrafeinkörniger Gefüge in 42CrMo4 (AISI4140) beim Außenlängsdrehen mittels Analyse der Prozess-, Emissions- und Randschichtcharakteristika

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt den Aufbau eines multimodalen Softsensor- Prüfsystems für die hochproduktive Drehbearbeitung. In experimentellen Versuchen wurden zylindrische Stäbe aus Vergütungsstahl 42CrMo4 mit variierender Anlasstemperatur und variierenden Prozessparametern verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass während des Zerspanungsprozesses Außenlängsdrehen thermomechanisch veränderte Randschichten entstehen, welche sich im Schliffbild als ultrafeinkörniges Gefüge (UFG) zeigen. Für die Analyse der komplexen Prozess- und Materialeinflüsse wurden sowohl zerstörende als auch zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) eingesetzt. Die Mikromagnetische Multiparametrische Mikrostruktur- und Spannungs-Analyse (3MA) in Kombination mit der Hauptkomponentenanalyse (principle component analysis PCA) ermöglicht eine zeit- und ortsaufgelöste in-situ Detektion von UFG. Darüber hinaus wird die Schallemissionsanalyse (acoustic emission analysis AE) auf Basis von Körperschall genutzt, um den Werkzeugverschleiß über mehrere Prozessschritte zu verfolgen. Die Sensordaten werden in einem digitalen Zwilling (DT) verknüpft und die Anwendungsmöglichkeiten sowie Grenzen eines darauf aufbauenden Softsensors untersucht. Die Integration eines Flussdiagramms ermöglicht ein proaktives Eingreifen in den Herstellungsprozess zur Vermeidung von UFG. Dieser Ansatz begegnet steigenden Anforderungen an Bauteilqualität und Lebensdauer sowie der Ressourceneffizienz bei energieeffizienten Herstellungsprozessen.

The present work describes the development of a multimodal softsensor inspection system for high-productivity turning processes. Experimental trials were conducted using cylindrical bars made of quenched and tempered steel AISI4140, with variations in tempering temperature and process parameters. The results indicate the formation of thermomechanically altered surface layers during the machining process (external longitudinal turning), identifiable in the microstructure as ultrafine-grained (UFG) microstructures. Destructive and non-destructive testing methods (NDT) capture the complex process and material influences in-situ, both time-resolved and spatially, using suitable signal characteristics. The Micromagnetic Multiparametric Microstructure and Stress Analysis (3MA) combined with principal component analysis (PCA), enables the detection of UFG. Acoustic emission analysis (AE) based on structure-borne sound allows monitoring tool wear across multiple process steps. The sensor data linked in a digital twin (DT) and the potential applications and limitations of a built-up softsensor were investigated. The incorporation of a flowchart enables proactive intervention in the manufacturing process to prevent the formation of UFG. This addresses the increasing demands for component quality and lifespan, facilitating resource-efficient and energyefficient manufacturing processes.