Residual Stresses in High Speed Turning of Nickel-Based Superalloy* Translated title: Eigenspannungen beim Hochgeschwindigkeitsdrehen einer Nickel-Basis-Superlegierung

Abstract

Residual stresses induced by machining operations can be critical for the performance and lifetime of the machined components. This paper investigated the influence of cutting conditions, including the use of cutting fluid, cutting speed and tool flank wear, on the residual stresses in high speed turning of Inconel 718 alloy. X-ray diffraction measurements revealed characteristic residual stress distributions with tensile stresses in a thin surface layer and compressive stresses in a much thicker subsurface layer in all investigated samples. However, the magnitude of the surface tensile stresses and subsurface compressive stresses as well as the size of the tension and compression zone depended on the cutting parameters. Surface tensile residual stresses over 1600 MPa and 1400 MPa were induced by tool flank wear and increased cutting speed, respectively, in dry turning. The effect of cutting induced local plasticity and temperature increase on the observed residual stress distributions was analyzed based on microstructural study by electron channeling contrast imaging and electron backscatter diffraction.

Kurzfassung

Eigenspannungen, die bei Zerspanungsprozessen entstehen, können sich negativ auf die Leistungsfähigkeit oder die Lebensdauer von Bauteilen auswirken. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dem Einfluss der Zerspanbedingungen, einschließlich der Verwendung von Schneidflüssigkeit, der Zerspangeschwindigkeit sowie dem Werkzeugverschleiß, auf die Eigenspannungen von hochgeschwindigkeitsgedrehten Proben aus der Superlegierung Inconel 718. In Röntgenbeugungsmessungen zeigen sich in allen Proben typische Eigenspannungsverteilungen mit Zugeigenspannungen in einer dünnen Randschicht sowie Druckeigenspannungen in einer viel dickeren randnahen Schicht. Jedoch variieren sowohl die Beträge der oberflächlichen Zug- und randnahen Druckeigenspannungen als auch die Größen der beiden Zonen je nach den verwendeten Zerspanungsparametern. Bei der Trockenbearbeitung wurden durch Werkzeugflankenverschleiß Zug- eigenspannungen von über 1600 MPa und durch hohe Schnittgeschwindigkeiten Zugeigenspannungen von 1400 MPa bewirkt. Beim Zerspanungsprozess entstehende lokale plastische Verformungen und Temperaturerhöhungen haben ebenfalls einen Einfluss auf die Eigenspannungen, der mithilfe von EBSD- und ECCI-Messungen untersucht wurde.