Schmier- und Kühleffekte mit Simulation verbessern

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Strömungssimulationen quantifizieren Schmier- und Kühleffekte

Mithilfe einer Zerspansimulation lassen sich unter anderem die thermischen Einflüsse von Variationen der Prozessparameter, Schneidgeometrien und Werkstoffeigenschaften erkennen. Zudem können auch Abschätzungen zur Spanbildung und -form sowie Daten zu den Prozesstemperaturen und -kräften in Diagrammform und in Falschfarbenbildern dargestellt werden. Daraus lassen sich Merkmale und Optimierungspotenziale für das Werkzeug und den Prozess erschließen, die in weiteren Iterationsschleifen schnell und kostengünstig ausgeschöpft werden können. Um eine Quantifizierung von Schmier- und Kühleffekten in Abhängigkeit von den Volumenströmungen und den physikalischen Eigenschaften der Kühl- und Schmiermedien zu erhalten, werden Strömungssimulationen (CFD) am Fraunhofer-IPA eingesetzt.

Für die Simulation der Metallzerspanung sind Sonderwerkstoffmodelle erforderlich. Diese beinhalten Zusammenhänge zwischen den Dehnungen des zu bearbeitenden Werkstoffes unter hohen Temperaturen und Dehnungsraten. Heutzutage existieren verschiedene physikalische sowie semianalytische Werkstoffmodelle für diesen Zweck. Zahlreiche theoretische Studien und Modelle für bekannte metallische Werkstoffe, wie etwa C45, Al6061, Ti6Al-4V oder X5CrNiMo17, sind vorhanden und bilden die Grundlage zur Simulation der Zerspanung in Metall. Diese ist sehr stark auf die Vorhersage der thermischen und mechanischen Belastungen im Werkzeug und der Spanbildung und -form in Abhängigkeit von den Bearbeitungsparametern ausgerichtet. Dazu ist die Finite-Elemente-Methode die am meisten eingesetzte numerische Methode für die Berechnungen.

Da FE-Simulationen von Zerspanungsprozessen die Stärke und Lage der Temperaturquellen bestimmen können, zum Beispiel bei einer Bohrsimulation, berechnet anschließend die CFD-Simulation die Kühlungseffekte. Die ermittelten Wärmequellen aus der FEM werden als Randbedingungen in der CFD-Simulation eingesetzt. Die CFD-Simulation ermittelt den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium und dem Prozess. Beispielhafte Ergebnisse einer solchen Simulation wurden in einem 8-mm-Bohrwerkzeug mit zwei Kühlkanälen von jeweils 1,25 mm Durchmesser der Jakob Schmid GmbH gewonnen. Dabei zeigt sich, dass Wärmeaustausch die Temperatur im Schnittbereich und damit das Fließverhalten des Zerspanungsprozesses beeinflusst. Schmiereffekte wie die Temperatur- und Zerpankraftreduktion werden über die Reibungsverhältnisse in den Grenzschichten zwischen Werkzeug und Werkstück in der FEM ständig mitberücksichtigt. Daraus werden geeignete Flussmengen je nach Prozessanforderung zunächst simulativ getestet, bevor experimentelle Versuche für die Validierung stattfinden.

Beim Einsatz der Simulationstechnologie in der Zerspanung entfallen sehr hohe Versuchs- und Entwicklungskosten, zum Beispiel Werkzeug- und Materialkosten, Maschinenbelegungszeiten, Prototypenfertigungszeiten und -kosten sowie Personalkosten. Außerdem werden Entwicklungszeiten deutlich verkürzt, ohne eigene Produktionsressourcen zu unterbrechen. Die Zerspanungssimulation im Metall bietet heutzutage ein exzellentes Werkzeug, Zerspanungsprozesse zu verstehen und so Möglichkeiten zur Optimierung auszuschöpfen.

Versuchsplattform zur schnelleren Gestaltung von Entwicklungsprozessen

Der Blick in den Schneidprozess erlaubt eine systematische Analyse mehrerer Variablen gleichzeitig, um nachvollziehbare Zusammenhänge für die Weiterentwicklung festzustellen. Um hochauflösende Simulationen von Zerspanungsprozessen in Metall durchzuführen, sind lediglich geometrische Werkzeugdaten (CAD-Dateien mit *.step-, *.igs- oder *.stl-Formaten) erforderlich. Diese Daten werden aufbereitet und in ein Simulationsmodell eingebettet. Die Prozessbedingungen werden eingestellt und der Prozess simuliert. Dadurch können diverse Prozessvarianten (Prozessparameter, Schneidgeometrien und Schmierstoffe) untersucht werden.

Die Ergebnisse (Spanbildungsbilder, Prozesstemperaturen und -kräfte in Diagrammform oder Falschfarbenbildern) werden aufbereitet und zur konstruktiven Diskussion bereitgestellt. Auf diese Weise werden die nächsten Entwicklungsschritte neuer Werkzeuge und Prozessoptimierungen erkennbar. MM

* Hector Vazquez Martinez ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Leichtbautechnologien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in 70174 Stuttgart, Tel. (07 11) 9 70 15 51, hector.vazquez.martinez@ipa.fraunhofer.de

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