Simulation und Optimierung der KSS-Strömung zur Reduzierung der thermischen Werkzeugbelastung bei der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718

Abbildung: Schematische Darstellung der KSS-Versorgung während der diskontinuierlichen Bohr-bearbeitung sowie deren Auswirkungen auf die thermische Werkzeugbelastung in Abgrenzung zum konventionellen Prozess

Die Bohrbearbeitung der schwer zerspanbaren Nickelbasislegierung Inconel 718 mit ihrer besonders ausgeprägten Hochtemperaturfestigkeit wird durch einen hohen Werkzeugverschleiß charakterisiert sowie limitiert. Dieser ist auf die thermomechanischen Belastungen an den Schneidkanten während des Zerspanungsprozesses zurückzuführen. Das Konzept der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung soll als alternative Prozessstrategie diesem Umstand begegnen, so dass im Rahmen des Forschungsvorhabens eine periodisch erfolgende Unterbrechung des Werkzeugeingriffes in den Bohrprozess eingebracht wird. Somit wird eine zielgerichtete Kühlschmierstoff-(KSS)-Versorgung der hochbelasteten Schneiden ermöglicht und infolgedessen eine signifikante Reduzierung der thermischen Werkzeugbelastung herbeigeführt. Darüber hinaus wird für die diskontinuierliche Bohrbearbeitung durch die Schnittunterbrechung der Spanbruch begünstigt, sodass die Ausbildung langer Späne, die potenziell die Spannuten zusetzen und zwischen Bohrungswand und Werkzeug verklemmen können, vermieden wird. Gleichzeitig kann für diese Prozessgestaltung werkstückseitig von verringerten Randzonenschädigungen ausgegangen werden, was einer erhöhten Bauteilqualität gleichkommt. Basierend auf diesen Optimierungsansätzen wird langfristig eine Steigerung der Schnittparameter angestrebt, die eine erhöhte Produktivität zur Folge hat.

Um eine Optimierung der Bohrbearbeitung von Inconel 718 zu erzielen, ist die Entwicklung eines vertieften Prozessverständnisses des thermomechanischen Belastungskollektives von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der schlechten Zugänglichkeit der Wirkstelle und den damit ungünstigen messtechnischen Bedingungen während des Bohrprozesses rückt eine vollständige simulative Abbildung des Prozesses in den Fokus der Untersuchungen. Gegenwärtig ist diese jedoch nicht oder nur bedingt zu realisieren. Computational-Fluid-Dynamics-(CFD)-Simulationen zur Modellierung von KSS-Strömungen spiegeln zwar die lokalen Fluidparameter wider, berücksichtigen dabei aber nicht den Wärmeeintrag aus der Spanbildungszone in das Fluid. Gleichermaßen findet in Spanbildungssimulationen mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) die Wärmeübertragung vom Solid in das Fluid keine Beachtung. Hieraus leitet sich die zentrale Herausforderung des Forschungsvorhabens ab, über eine bidirektionale Verknüpfung von CFD- und FEM-Simulationen die Strömungssimulation mit einem Modell der lokalen Temperaturverteilung in der Spanbildungszone zu koppeln. Eine vollumfängliche Berechnung des Wärmetransports und somit auch Rückschlüsse auf die thermische Werkzeug- und Werkstückbelastung werden dadurch ermöglicht. Die generierten Daten können verwendet werden, um thermische Maximalbelastungen im Prozess vorherzusagen, Zeitpunkte effizienter Unterbrechungen des Werkzeugeingriffs zu identifizieren und damit eine optimierte KSS-Versorgung der Bohrwerkzeuge in der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718 vorzunehmen. Insgesamt kann so die gewünschte Produktivitätssteigerung des Fertigungsprozesses bei erhöhter Werkzeugstandzeit erreicht werden.

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dirk Biermann

Institut für Spanende Fertigung

Technische Universität Dortmund

Telefon: +49 231 755-2782

E-Mail: dirk.biermann@tu-dortmund.de

Tobias Wolf, M.Sc.

Institut für Spanende Fertigung

Technische Universität Dortmund

Telefon: +49 231 755–90172

E-Mail: tobias2.wolf@tu-dortmund.de

Dr.-Ing. Ivan Iovkov

Institut für Spanende Fertigung

Technische Universität Dortmund

Telefon: +49 231 755-4860

E-Mail: ivan.iovkov@tu-dortmund.de

Michael Fast, M.Sc.

Lehrstuhl für Angewandte Mathematik

Technische Universität Dortmund

Telefon: +49 231 755-3177

E-Mail: michael.fast@tu-dortmund.de

Prof. Dr. Stefan Turek

Lehrstuhl für Angewandte Mathematik

Technische Universität Dortmund

Telefon: +49 231 755-3075

E-Mail: stefan.turek@math.tu-dortmund.de