Multiphasen-Modellierungen von Kühlschmierstoff und dessen Aerosole in der Zerspanungssimulation mit der Finite-Pointset-Methode zur Untersuchung der Wirkungsmechanismen

Abbildung: Entwicklungsstufen zur numerischen Untersuchung der Wirkungsmechanismen von Kühlschmierstoff (KSS) auf den Zerspanungsprozess

Die Wirkungsmechanismen von Kühlschmierstoff (KSS) und dessen Aerosole auf den Zerspanungsprozess sind bisher nicht vollumfänglich verstanden. Zu den wesentlichen Wirkungsmechanismen Kühlung, Schmierung und Spanablenkung existieren verschiedene Thesen für eine Vielzahl an Parametern, welche den Fertigungsprozess beeinflussen. Das Ausspülen einer isolierenden Dampfschicht, welche sich aufgrund der heißen Span- und Werkzeugoberflächen bildet, wird beispielsweise als Ursache für eine gesteigerte Kühlwirkung bei Verwendung einer Hochdruck‑KSS‑Zufuhr vermutet. Bei einer Mindermengen­kühlschmierung werden die positiven Einflüsse auf den Werkzeugverschleiß unter anderem auf die Wirkung von Schmierung zurückgeführt. Selbst die Elementarprozesse, wie Tropfenverdampfung, Tropfenkollisionen und Tropfen-Wandkollisionen innerhalb eines Sprühnebels werden durch die KSS-Stoffeigenschaften beeinflusst, wodurch sich die Kühlwirkung auf den Zerspanungsprozess ändern kann. Aufgrund der Komplexität von Zerspanungsprozessen konnten analytische und messtechnische Ansätze derartige Wirkungsmechanismen bisher nicht zweifelsfrei identifizieren.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts werden diese Wirkungsmechanismen auf den Zerspanungsprozess numerisch basiert analysiert, um gesteigertes Prozessverständnis sowie numerisch optimierte Prozessparameter abzuleiten. Um diese ambitionierte Zielsetzung zu erreichen, findet eine interdisziplinäre Kooperation innerhalb des Konsortiums, bestehend aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin, dem Institut für Verfahrenstechnik der Otto‑von‑Guericke‑Universität Magdeburg sowie dem Fraunhofer-Institut für Techno‑ und Wirtschafts­mathematik aus Kaiserslautern, statt. Als Ansatz zur Modellierung der erforderlichen und numerisch herausfordernden Fluid‑Struktur-Interaktionen wird die Finite‑Pointset‑Methode (FPM) eingesetzt. Bei der FPM werden Systeme von Differentialgleichungen durch eine Wolke frei beweglicher Punkte numerisch gelöst. Dadurch wird die Simulation der Interaktion von KSS, Werkstück und Werkzeug während der hochdynamischen Spanbildung möglich.

Als ein erstes Teilziel werden die Randbedingungen des KSS in der Werkzeugmaschine für eine konventionelle Überflutungskühlung, eine Hochdruck-KSS-Zufuhr sowie eine Mindermengen­kühlschmierung charakterisiert. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden vereinfachende Modellexperimente mit zerspanungsähnlichen Randbedingungen entwickelt, um einzelne Wirkungsmechanismen wie Wärmetausch, Schmierung oder Phasenübergänge separat analysieren zu können. Die darauf basierte Herleitung von physikalischen Gesetzmäßigkeiten für ein verdampfendes KSS sowie einen KSS-Sprühnebel stellt ein weiteres Teilziel dar. Diese Gesetzmäßigkeiten werden anschließend in der FPM integriert. Dabei wird der KSS für alle Erscheinungsformen zusammen als monolithische numerische Entität über eine erweiterte Zustandsgleichung implementiert und anhand der Modellexperimente validiert. Anschließend werden die erstellten Simulationsmodelle genutzt, um Zerspanungssimulationen unter Berücksichtigung verschiedener KSS-Phasen zu entwickeln. Durch die entstehenden Modelle wird es möglich, nasse Zerspanungsprozesse mit verschiedenen KSS-Strategien fundiert numerisch zu analysieren und optimierte Prozessparameter abzuleiten. 

Antragsteller:

Projektbearbeiter:

Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann

Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb

Technische Universität Berlin

Telefon: +49 30 / 314 – 23349

E-Mail: Eckart.Uhlmann@iwf.tu-berlin.de

Enrico Barth, M.Sc.

Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb

Technische Universität Berlin

Telefon: +49 30 / 314 ‑ 23568

E-Mail: enrico.barth@iwf.tu-berlin.de

Dr. rer. nat. Jörg Kuhnert

Abteilung Transportvorgänge

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)

Telefon: +49 631 / 31600 – 4448

E-Mail: joerg.kuhnert@itwm.fraunhofer.de

Dr. rer. nat. Tobias Seifarth

Abteilung Transportvorgänge

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)

Telefon: +49 631 / 31600 – 4797

E-Mail: tobias.seifarth@itwm.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Martin Sommerfeld

Institut für Verfahrenstechnik

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Telefon: +49 345 / 55 – 23680

E-Mail: martin.sommerfeld@ovgu.de

Kaissar de Oliveira Nabbout, M.Sc.

Institut für Verfahrenstechnik

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Telefon: +49 345 / 55 – 23686

E-Mail: kaissar.deoliveira@ovgu.de