Mehrskalenmodellierung der thermischen Werkstückbelastung beim Drehprozess unter Berücksichtigung der Kühlschmierstoffzufuhr

Abbildung: Übersicht des gesamten Forschungsvorhabens zur Mehrskalenmodellierung der thermischen Werkstückbelastung

Im Zerspanprozess wird die Prozessleistung weitestgehend in Wärme umgewandelt und mittels Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung über die Komponenten Werkzeug, Werkstück, Kühlschmierstoff und Span aus der Kontaktzone in die Maschinenstruktur und die Umgebung abgeführt. Je nach Auslegung der Komponenten, der Prozessparameter und der Kühlschmierstrategie variieren die Aufteilung der Wärmeströme und die Temperaturfelder des Werkstücks. Diese haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Prozessergebnis und die Bauteilfunktionalität.

Der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) dient in der Zerspantechnik zum einem dem verbesserten Abtransport der entstehenden Prozesswärme aus der Kontaktstelle Werkzeug-Werkstück und reduziert zusätzlich durch die Schmierwirkung die Entstehung von Reibungswärme. Um die thermische Belastung des Werkstücks beim Zerspanprozess mit KSS zu optimieren, gilt es, dessen Einsatz so effizient wie möglich zu gestalten. Dafür ist es wichtig den Einfluss des KSS auf den Zerspanprozess möglichst genau beschreiben zu können.

Daher liegt die zentrale Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens in der Mehrskalenmodellierung der thermischen Werkstückbeanspruchung bei der Drehbearbeitung des hochwarmfesten Werkstoffes Inconel 718 und des Vergütungsstahles 42CrMo4 mit Hartmetallwerkzeugen unter Berücksichtigung der Kühlschmierstoffzufuhr und des Werkzeugverschleißzustandes. In der ersten Förderperiode beinhaltet die Zielsetzung die Entwicklung eines Kopplungsansatzes zwischen fluidmechanischen und strukturmechanischen Modellen (engl. FSI, Fluid Structure Interaction) zur Beschreibung der thermischen Belastung des Werkstücks während der Spanbildung. Dieser Kopplungsansatz beruht auf dem zyklischen Austausch von mechanischen und thermischen Größen zwischen FEM und CFD. Hierbei wird zunächst auf Basis von FEM Simulationen und Experimenten die Spangeometrie und Wärmequellen berechnet und für die Generierung der CFD bereitgestellt. Mit Hilfe der CFD Simulation werden dann die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt und dann an die FEM zurückgegeben, welche anschließend die veränderte Spangeometrie berechnet. Durch Wiederholen dieser iterativen Kopplung können somit umfassende Sensitivitätsanalysen durchgeführt werden, welche weiterhin die Optimierung der Bauteilfunktionalität im Hinblick auf die Oberflächenintegrität ermöglichen.

Für diesen Kopplungsansatz sind zusätzliche Submodelle für die Beschreibung der kühlenden und schmierenden Auswirkungen vom KSS im Tribosystem notwendig. Außerdem sind neben dem konvektiven Wärmetransport durch Kühlschmierstoff, Kontaktwärmeübergänge zwischen Werkzeug, Werkstück und Span weitere essentielle Wärmetransportmechanismen, die für eine exakte thermische Beschreibung des Werkstücks unerlässlich sind und als weitere thermische Randbedingung in die FEM Simulation einfließen. In diesem Kontext muss der Einfluss prozessspezifischer Effekte wie das Eindringen von Kühlschmierstoff in die Kontaktzone sowie Veränderung der Oberflächentopografie durch Verschleiß bei der Bestimmung dieses Parameters berücksichtigt werden.

Abschließend soll der entwickelte Kopplungsansatz mit den Messdaten der experimentellen Grundlagenuntersuchungen validiert werden.

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Bergs, MBA

Werkzeugmaschinenmaschinenlabor (WZL) Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

RWTH Aachen

Telefon: +49 241 80 27401

E-Mail: t.bergs@wzl.rwth-aachen.de

Bingxiao Peng, M.Sc.

Werkzeugmaschinenmaschinenlabor (WZL) Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

RWTH Aachen

Telefon: +49 241 80 28181

E-Mail: b.peng@wzl.rwth-aachen.de

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reinhold Kneer

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (WSA)

RWTH Aachen

Telefon: +49 241 80 95400

E-Mail: kneer@wsa.rwth-aachen.de

Tim Göttlich, M.Sc.

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (WSA)

RWTH Aachen

Telefon: +49 241 80 97464

E-Mail: goettlich@wsa.rwth-aachen.de