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Zerspanungs- und Strömungssimulation

Schmier- und Kühleffekte mit Simulation verbessern

| Autor/ Redakteur: Hector Vazquez Martinez / Victoria Sonnenberg

Die Optimierung von Zerspanungsprozessen mit Schmier- und Kühlstrategien wird heutzutage mit modernen Simulationen und systematischen Methoden erforscht. Mit der Zerspanungs- und Strömungssimulation entfallen hohe Versuchs- und Entwicklungskosten.

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Simulationstechnologie zur Bestimmung von Schmierungs- und Kühlungseffekten bei Zerspanungsprozessen.
Simulationstechnologie zur Bestimmung von Schmierungs- und Kühlungseffekten bei Zerspanungsprozessen.
(Bild: Fraunhofer-IPA)

In der Metallbearbeitung ist der Einsatz von Kühlschmierstoffen eine der klassischen Methoden zur Steigerung der Prozessqualität und -leistung. Diese Effekte werden einerseits über die resultierenden Kühlungs- und Schmierungseffekte erzielt, andererseits durch einen verbesserten Spanabtransport aus der Zerspanzone.

Jedoch zeigen die letzten Jahre einen Rückgang der Nassbearbeitung in Bezug auf die Einsatzmengen in Richtung der Trockenbearbeitung. Um eine grundlegende und ressourceneffiziente Optimierung beim Einsatz von Kühl- und Schmiermedien zu erzielen, werden neben einigen experimentellen Versuchen zwei ausgereifte Methoden aus der Simulationstechnologie eingesetzt: die Finite-Elemente-Simulation der Zerspanung und die Strömungssimulation (CFD).

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Im Hinblick auf die Bearbeitungsqualität und den Werkzeugverschleiß werden somit Strategien zum effizienten Einsatz von Kühl- und Schmiermedien prozessspezifisch entwickelt. In welchen Mengen sich eine Bearbeitung mit Schmierstoffen lohnt, soll abhängig von den Prozessparametern sowie der Werkstoffpaarung zwischen Schneid- und Bauteilwerkstoff entschieden werden.

Komplexität der Zerspanungsprozesse durch Simulation im Griff

Die Theorie in der Metallzerspanung zeigt, dass die hohen thermomechanischen und dynamischen Beanspruchungen eines Zerspanungsprozesses das Trenn- und Fließverhalten des zu bearbeitenden Werkstoffs beeinflussen. Experimentelle und analytische Untersuchungen von Zerspanungsprozessen weisen auf sehr hohe lokale Verformungsraten (strain rates) und, je nach Prozess, Schneidstoff und Werkstoff der Bauteile, auf Temperaturen deutlich über 200 °C in der Trennzone hin. Sowohl der Einsatz von Kühlungs- als auch von Schmiermedien bei der spanenden Bearbeitung bewirkt eine Reduktion der prozessresultierenden Wärme. Schmiermedien beeinflussen diese durch die Reduktion der Reibungsverhältnisse in den Span- und Freiflächen an den sekundären Scherzonen. Bei größeren Volumenströmen von Schmier- und Kühlmedien findet eine Wärmereduktion bezogen auf Hitzequellen aus Verformungen aller Schnittbereiche sowie insgesamt am Werkzeug und Werkstück statt. Die Reduktion der Zerspanungstemperatur unterstützt einen Erhalt der ursprünglichen Werkzeuggeometrie für die Weiterbearbeitung über längere Zeiten. Dies bedeutet höhere Standzeiten und die Beibehaltung der Bearbeitungsqualität.

Die Schmier- oder Kühlstrategie beeinflusst jedoch die Temperatur in den Zerspanungsprozessen nur zum Teil. Prozessparameter, wie die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sowie Varianten der Schneidgeometrie (zum Beispiel Schneidkantenradius, Span- und Keilwinkel) bestimmen an erster Stelle die grundsätzlichen Bedingungen der eingesetzten Trennungsarbeit und die Lage der Wärmequellen. Darüber hinaus bestimmen die Werkstoffeigenschaften des zu bearbeitenden Werkstoffs sowie der Schneidstoff (Wärmeleitfähigkeit, Duktilität, Härte, Wärmekapazität) weitere physikalische Randbedingungen zur Verteilung der Wärme.

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