Modellierung der Kühlwirkung beim Werkzeugschleifen unter Berücksichtigung prozessbedingter Unsicherheiten

Abbildung: Arbeitsprogramm im Teilprojekt 06

Der Einsatz von Kühlschmierstoffen ist in der spanenden Fertigung ein entscheidender Einflussfaktor, um Werkstücke entsprechend der Qualitätsanforderungen herstellen zu können. Gleichzeitig dient das Kühlmittel auch zum Abtransport der Späne sowie zur Kühlung des Werkzeugs und zur Reduzierung der Reibung durch Schmierung. Im Werkzeugschleifprozess zur Herstellung von Spiralbohrern und Schaftfräsern werden in der Regel Schleiföle als Kühlschmierstoff eingesetzt. Das Werkzeugschleifen bestimmt als zentraler Fertigungsschritt im hohen Maß das Einsatzverhalten der gefertigten Zerspanwerkzeuge. Hierbei spielt die Auswahl einer geeigneten Kühlschmierung eine wichtige Rolle. Die Einstellung der sogenannten Kühlschmierstoffdüsen sowie die Wahl des passenden Schleiföls werden heutzutage zumeist anhand von erfahrungsbasiertem Wissen und Einstellversuchen durchgeführt. Die fluiddynamischen Vorgänge des Kühlschmierstoffs in der Kontaktzone und deren Auswirkungen auf die thermische Werkstückbelastung sind hierbei noch weitestgehend unbekannt. Um diese Wissenslücke zu schließen, erforscht das IFW Hannover in Kooperation mit dem Zentrum für Technomathematik der Universität Bremen eine multiskalige Materialabtrag-Fluidsimulation für das Werkzeugschleifen unter Berücksichtigung prozessbedingter Unsicherheiten. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der unscharfen Berechnung der Kühlschmierstoffverteilung und der resultierenden thermischen Werkstückbelastung. Multiskalig bedeutet in diesem Fall, dass sowohl Prozesse der Makro- als auch Mikroebene (Teilchen- oder auch Schleifkornebene) berücksichtigt werden, um die Modellierung der Kühlwirkung im Prozess zu ermöglichen.
Ziel der Modellierung ist es, die Vielzahl an Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Prozessqualität zu erfassen, um langfristig eine schädigungsfreie Bearbeitung bei höherer Produktivität zu ermöglichen. Gleichzeitig soll die Simulation in der Lage sein, Prozessunsicherheiten durch zufällige Schwankungen auf der Mikroebene einzukalkulieren. Dafür wird zunächst eine Fluiddynamiksimulation entwickelt, die insbesondere mikroskopische Aspekte wie das Benetzungsverhalten und die Kühlwirkung des KSS aufgreift. Dazu werden Modelle der Schleifscheibe und des Strömungs- und Benetzungsverhalten erstellt. Das Benetzungsverhalten wird dabei durch experimentelle Untersuchungen am IFW erforscht. Zur Modellierung der Schleifscheibentopographie erfolgt eine Sensitivitätsanalyse zu den Beschreibungsmerkmalen sowie die Erforschung einer Methode zur unscharfen Berechnung von Schwankungsbreiten der KSS-Verteilung in der Kontaktzone, in den Wärmeübergängen und den daraus resultierenden Werkstücktemperaturen. Die Methode zur unscharfen Berechnung ist wichtig, da es auf der Teilchenebene nicht möglich ist, dass bestimmte Eigenschaften der Teilchen gleichzeitig zu 100% genau bestimmbar sind. In weiterführenden Förderzeiträumen soll die Fluiddynamiksimulation mit einer Materialabtragssimulation gekoppelt werden. Die so entstandene multiskalige Simulation wird dann auf den Nutentiefschliff als einen der wesentlichen Werkzeugschleifprozesse übertragen.

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Dr.-Ing. Marc-André Dittrich

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762-2554

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

Marcel Wichmann, M.Sc.

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Leibniz Universität Hannover

Telefon: +49 511 762-19074

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

Prof. Dr. -Ing. Alfred Schmidt

Zentrum für Technomathematik

Universität Bremen

Telefon: +49 421 218-63851

E-Mail: schmidt@math.uni-bremen.de

Dr. Michael Eden

Zentrum für Technomathematik

Universität Bremen

Telefon: +49 421 218-63846

E-Mail: eden.michael@uni-bremen.de

Dennis Zvegincev

Zentrum für Technomathematik

Universität Bremen

Telefon: +49 421 218-63852

E-Mail: den_zve@uni-bremen.de