Kopplung experimenteller und numerischer Methoden zur mehrskaligen Analyse der Wirkmechanismen von Kühlschmierstrategien in Zerspanprozessen
(KExNuMe-KSS)

Abbildung: Untersuchungen zum Einfluss des Kühlschmierstoffs auf die Reibung im
Zerspanungsprozess (a) Hobelprüfstand (b) Span-Werkzeug-Kontakt (c) Pin-on-Ring-Tribometer (d) Ball-on-disc Prüfstand
(e) Reibmodellierung.

Die Hauptfunktion von Kühlschmierstoff (KSS) ist neben der Abfuhr von Wärme die Reduktion der Reibung im Prozess. Dies geschieht, indem der Kühlschmierstoff in den Bereichen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück bzw. Span einen Schmierfilm ausbildet. Die Ausprägung und Beschaffenheit des Schmierspalts zwischen dem ablaufenden Span und der Spanfläche des Werkzeugs stellt dabei eine fundamentale wissenschaftliche Fragestellung dar. Insbesondere in diesen Bereichen wird ein hoher Anteil der in der Zerspanung anfallenden Wärmeenergie erzeugt. Die lokalen Reibungsphänomene haben darüber hinaus einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Randzone des erzeugten Bauteils und die thermomechanische Belastung des Werkzeugs.

Um die lokalen Reibungsphänomene zu untersuchen, wird am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) ein Hobelprüfstand um eine Kühlschmierstoffzufuhr erweitert (Abbildung a, b). Zur impulsartigen Realisierung hoher Drücke bis 80 bar wird ein Druckspeicher verwendet. Weiterhin werden durch eine Saphirglasscheibe innerhalb des Versuchsaufbaus Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Dokumentation der Spanbildung und des lokalen Fließverhaltens des Kühlschmierstoffs ermöglicht. Mit Hilfe dieses Versuchsaufbaus werden für unterschiedliche Zuführstrategien (Variation Druck, KSS-Medium, Düsenpositionierung) Lastspannungen, Relativgeschwindigkeiten und Temperaturen bestimmt.

Parallel dazu wird am Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) der Leibniz Universität Hannover ein Mikro-Pin-on-Ring Prüfstand aufgebaut (Abbildung c). Dieser Prüfstand wird ebenfalls um ein Mikroschmiersystem für Kühlschmierstoffe erweitert. Dadurch soll gegenüber dem tatsächlichen Zerspanungsprozess eine verbesserte Beobachtbarkeit der Reibungsvorgänge ermöglicht werden. Die Untersuchungen am Tribometer werden auf Basis der am IFW ermittelten Randbedingungen (Lastspannungen, Relativgeschwindigkeiten, Temperaturen) durchgeführt. Zudem wird die Ausbildung eines Schmierfilms auf Basis eines Ball-on-Disc Prüfstands untersucht (Abbildung d). Mit dem experimentell erzeugten Wissen und dem Verständnis um die mikro- und makroskaligen Kontaktsituationen am Schneidkeil werden Ansätze zur Modellierung der Reibung erforscht.

Am Ende der Laufzeit stehen somit grundlegende Erkenntnisse über mikro- und makroskalige tribologische Effekte sowie Ansätze zur modellbasierten Wiedergabe der Kontaktsituationen am Schneidkeil unter dem Einfluss von Kühlschmierstoff zur Verfügung. Dieses Wissen kann in numerischen Simulationen zusammen mit einer detaillierten Abbildung thermischer Effekte sowie einer makroskopischen Abbildung des KSS mittels CFD genutzt werden, um den Einfluss des KSS auf den Zerspanungsprozess innerhalb numerischer Simulationen adäquat abzubilden.

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll

Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762 2416

E-Mail: poll@imkt.uni-hannover.de

Dr.-Ing. Haichao Liu

Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762 13368

E-Mail: liu@imkt.uni-hannover.de

Dr.-Ing. Florian Pape

Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762 13392

E-Mail: pape@imkt.uni-hannover.de

Lars Ellersiek, M. Sc.

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762 18234

E-Mail: matthias.haber@kit.edu

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762 2553

E-Mail: denkena@ifw.uni-hannover.de