Neue Methoden zur theoretischen und experimentellen Untersuchung des Fließverhaltens metallischer Werkstoffe beim Zerspanungsprozess mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD)

Die numerische Simulation von Zerspanungsprozessen mit Finite-Elemente-Verfahren (FEM) ist seit vielen Jahren Gegenstand von Forschungsarbeiten. Die Berechnungsmodelle befinden sich in permanenter Weiterentwicklung und liefern gute Ergebnisse. Wesentliche Details (z.B. zur Spanbildung, Spanform und zum Verschleißverhalten) können noch nicht ausreichend genau beschrieben werden.

         Um die neu entwickelten numerischen Ansätze zur verformungsabhängigen Wärmeentwicklung und auch zur variablen Viskosität an die Realität anzupassen und freie Parameter festzulegen, werden in experimentellen Untersuchungen Werkstoffkennwerte ermittelt, auf unterschiedlichen Werkzeugmaschinentypen Schnittkräfte und Temperaturen gemessen sowie Spanformen ermittelt.

Sowohl in der Theorie als auch im Experiment werden typische Größen wie Schneidengeometrie, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Material variiert.

Der Zerspanvorgang wird jeweils mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet, so dass die Spanform bei der Spanentstehung dokumentiert und mit den theoretisch/rechnerischen Ergebnissen verglichen werden kann. Variiert werden die Schnittdaten, der Werkstoff, die Werkzeugbeschaffenheit und die Schmierung.

Zusätzlich zu der Auswertung mittels Kamera werden beim Drehen die Schnittkräfte mit Hilfe von Dehnmessstreifen und beim Fräsen mittels einer Kraftmessplattform gemessen. Auch diese Ergebnisse werden mit der Simulation verglichen.

Temperaturmessungen an Werkstück und Schneide werden mit Thermoelementen sowie einer IR-Kamera durchgeführt.

Es gelang, ein Material- und Energiemodell zu entwickeln, das die Vorgänge im Trennbereich beim Orthogonaldrehen bei Annahme eines stationär ablaufenden Prozesses qualitativ gut berechnet. Realistische Spitzentemperaturen werden erreicht. Die Verformungs- und reibungsabhängige Wärmeentstehung, die wärmeabhängige Materialerweichung sowie die Fließbewegung des Werkstücks bzw. Spanes beim Zerspanungsprozess werden berechnet. Die Spanformung wurde zur Begrenzung der sehr hohen Rechenzeiten experimentell ermittelt und fest vorgegeben.