Influence of cutting parameters on the formation of white etching layers in BTA deep hole drilling

Strodick, S.1, a; Berteld, K., b; Schmidt, R.2, c; Biermann, D.2, d; Walther, F.1, e; Zabel, A.2, f

1)
Department of Materials Test Engineering (WPT), TU Dortmund
2)
Institute of Machining Technology, TU Dortmund University, Baroper Str. 303, D-44227 Dortmund, Germany

a) simon.strodick@tu-dortmund.de; b) kai.berteld@tu-dortmund.de; c) robert2.schmidt@tu-dortmund.de; d) dirk.biermann@tu-dortmund.de; e) frank.walther@tu-dortmund.de; f) andreas.zabel@tu-dortmund.de

Abstract

Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs auf die Oberflächenbeschaffenheit bei der Tiefbohrbearbeitung nach dem Boring and Trepanning Association (BTA) Verfahren von 42CrMo4+QT wurde untersucht. Die Mikrostruktur und Mikrohärte in der Bohrungsrandzone ließen sich mithilfe metallographischer und mikromagnetischer Verfahren analysieren und charakterisieren. Die Ergebnisse wurden in Relation zu den im Prozess auftretenden Kräften gesetzt. Es zeigte sich, dass sich beim Einsatz hoher Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten weiße Randschichten (engl. white etching layer, WEL) in der Bohrungsrandzone bilden. Diese Schichten weisen eine bis zu drei Mal höhere Härte als das Grundgefüge auf und Dicken von bis zu ca. tWEL ≈ 12 µm. Auf die weißen Randschichten folgt eine Übergangszone und erhöhte Härtewerte lassen sich bis zu einer Tiefe von dsurf = 35 µm feststellen. Die Analyse des magnetischen Barkhausen Rauschens eignet sich zur schnellen und zuverlässigen Detektion und Charakterisierung der Randschichten. Die vorgestellten Ergebnisse fördern ein tiefgehendes Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Gestaltung des BTA-Prozesses, der resultierenden Mikrostruktur und den Eigenschaften der konditionierten Oberflächen. Basierend auf den Erkenntnissen ist es geplant, eine Prozessregelung für den BTA-Prozess zu entwickelt, die es ermöglicht, Oberflächen während der Bearbeitung gezielt zu konditionieren, im Hinblick auf die Optimierung der Schwingfestigkeit und Leistungsfähigkeit allgemein.

Abstract:

In this study, the influence of cutting speed and feed rate on surface integrity in Boring Trepanning Association (BTA) deep hole drilling of AISI 4140+QT is investigated. Microstructure and micro-hardness in the subsurface zones of bores are analyzed, using metallographic and micromagnetic methods. It was found that when using high feed rates and cutting speeds, white etching layers (WEL) form at the surface of the bores. These layers are up to three times harder than the substrate material and have a maximum thickness of approx. tWEL ≈ 12 µm. WEL were usually followed by a transitional layer, so that elevated hardness was observed until a depth of dsurf = 35 µm below the surface. Magnetic Barkhausen noise (MBN) analysis proved to be applicable for the fast and reliable detection of WEL. The presented results contribute to gaining a deeper understanding of the complex interrelations between the design of the BTA process, the resulting microstructure in the machined component and the properties of the conditioned surface. Based on discovered correlations, a dynamic process control will be developed for BTA deep hole drilling, which will allow reliably tailoring surface integrity of components to specific demands, like an optimized fatigue performance.

Keywords

BTA-Tiefbohren, weiße Schicht, mikromagnetische Prüfung

Publication

tm - Technisches Messen, 69 (2020), pp. 1-9, doi: /10.1515/teme-2020-0046