Abbildung: Übersicht, Kopplung und Kompetenzverteilung des multiskaligen Simulationsansatzes

Ziel des Projektes ist eine modellbasierte, multiskalige Optimierung der Wirkung des Kühlschmiermittels auf die Spanbildung in dem kinematisch komplexen und für den Kühlschmierstoff schlecht zugänglichen Zerspanungsprozess Wälzschälen, der durch herausfordernde lokalveränderliche Schnittbedingungen gekennzeichnet ist. Wälzschälen ist ein kontinuierlich abwälzendes Zerspanungsverfahren für Innen- und Außenverzahnungen, welches durch die fortschreitende Elektrifizierung des Antriebstranges insbesondere für die Herstellung von Planetengetriebe in der Automobilbranche zunehmend an Bedeutung gewinnt. Beim Wälzschälen und verwandten Verfahren rotieren sowohl Werkzeug als auch Werkstück synchron mit hoher Drehzahl. Dabei variieren die Spanungsbedingungen entlang des Schneideneingriffes. Die entstehenden Späne stören den Prozess immer wieder, weil sie an den Werkstück- und Werkzeugoberflächen anhaften oder zwischen Werkstück und Freifläche geraten. Dadurch kommt es zu Effekten wie Spanklemmern und Schneidkantenausbrüchen, die sich negativ auf die Oberflächenqualität und den Werkzeugverschleiß auswirken. Erst das Verständnis für die Spanbildung und den eng mit der Applikation des Kühlschmierstoffs korrelierenden Abfluss der Späne ermöglicht ein Verständnis für die Bildung von Spanklemmern.

Die dominanten Faktoren für die Spanbildung sind die Prozessstellgrößen, sowie die Kühlschmierwirkung zwischen Span und Spanfläche. Eine modellbasierte Prozessoptimierung erfordert sowohl die Berücksichtigung der KSS-Zufuhr als auch der Verteilung unter den dynamischen Randbedingungen im Zerspanungsprozess. Insbesondere die wirksamen Kühl- und Reibungseffekte auf der Spanfläche sind zu beschreiben, um die Spanbildung adäquat abzubilden. Die wirksamen Mechanismen sind jedoch zu komplex, um den gesamten Prozess in einem einzigen Simulationsmodell abzubilden. Mit einem multiskaligen Simulationsansatz, welcher die Spanbildung, die am Prozess beteiligten Fluidströmungen sowie die Reibungseffekte miteinander koppelt, soll die Kühlschmierstoffzufuhr und ihre Wirkung auf Spanbildung und -transport abgebildet werden. Auf dieser Basis wird die Kühlschmierstoffzufuhr optimiert, um kompakte, nicht haftende Späne zu erhalten. Die Optimierung von Wälzschälprozessen auf stabile und vorteilhafte Spanbildung führt zu besseren Oberflächen und längerer Werkzeugstandzeit. Die Kooperation zwischen dem Institut für Produktionstechnik (wbk), dem Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) ermöglicht die mechanismenbasierte Modellierung und Optimierung der Teilbereiche unter Berücksichtigung der physikalischen Wechselwirkung auf verschiedenen Skalen.

In der ersten Förderperiode sollen folgende Meilensteine erreicht werden:

• Abgleich von Randbedingungen aus dem Wälzschälen für den Analogieprozess im orthogonalen und gebundenen orthogonalen Schnitt
• Numerische Teilmodelle der Kühl- und Schmierwirkung des Mediums und der Spanbildung
• Einstellen der Randbedingungen und Modellparameter zur adäquaten Abbildung lokaler Kenngrößen wie Geschwindigkeiten, Kräfte, Temperaturen und Spanformen
• Erstellung des Gesamt-Prozessmodells des gebundenen Schnitts mit Druckluft und Kühlschmierstoff