Simulative analysis of the influence of cutting fluids on the machining process

• Applicants: Dr. Jörg Kuhnert; Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering ; Mathematics
• Term: from 2018 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 403835841

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Kühlschmierstoffe (KSS) werden in der Zerspanung eingesetzt, um den Spanbildungsbereich zu kühlen und zu schmieren. Mögliche Ziele der Verwendung sind die Reduktion von Werkzeugverschleiß oder die Erhöhung der Oberflächengüte. Aufgrund der Vielzahl an physikalischen Mechanismen ist der Wirkzusammenhang von KSS, Werkstück und Werkzeug bisher nicht umfänglich verstanden. Die Auslegung von nassen Zerspanungsprozessen erfolgt oftmals über Erfahrungswerte oder aufwendigen technologischen Untersuchungen. Obwohl numerische Simulationen zur Einstellung der Prozessparameter für die trockene Zerspanung zum Stand der Technik gehören, wird von nassen Zerspanungssimulationen nur in einzelnen wissenschaftlichen Publikationen berichtet. Ursächlich hierfür sind Herausforderungen an die Simulationsansätze, welche mit der Fluid-Struktur-Interaktion während der Spanbildung einhergehen. In diesem Forschungsprojekt wurde die Finite-Pointset-Methode (FPM) weiterentwickelt und eingesetzt, um dreidimensionale nasse Zerspanungssimulationen zu erstellen und zu analysieren. Die FPM ist ein netzfreier Simulationsansatz, welcher Fluid-Struktur-Interaktionen auch bei stark veränderlichen Strukturen monolithisch lösen kann. Diese Eigenschaft ermöglicht es, nasse Zerspanungsprozesse mit der Interaktion von Spanbildung, KSS und Werkzeug zu modellieren. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde in einem ersten Schritt das Orthogonaldrehen modelliert und mittels Zerspanungsversuche validiert. Um die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen zu berücksichtigen, hat sich die Surface-Surface-Kopplung bewährt. Dabei werden an den Phasengrenzen die physikalischen Zustände einzelner Phasen als Randbedingung in die jeweils korrespondierende Phase übergeben. Die Ergebnisse zeigten für trockene und nasse Bedingungen eine hinreichende Güte in der Vorhersage der Schnittkraft. Unzureichende Abweichungen gab es bei der Vorhersage der Vorschubkraft. Dieses Phänomen ist auch bei trockenen FEM-Simulationen bekannt und wird ein Fokus zukünftiger Modellverbesserungen sein. Aufbauend auf das Orthogonaldrehen wurden in einem weiteren Schritt Modelle für das Außenlängsrunddrehen entwickelt. Aufgrund einer adaptiven Steuerung der numerischen Diskretisierung sowie der Nutzung mehrerer Prozessoren für eine Simulation konnten diese komplexen Zerspanungsprozesse teilweise in unter drei Stunden berechnet werden, was sich während der Modellentwicklung als besonders vorteilhaft gezeigt hat. Auch bei den Simulationen des Außenlängsrunddrehens wurde eine hohe Abbildungsgenauigkeit der Schnittkraft erreicht und Diskrepanzen in der Vorhersage der Vorschubkraft bzw. Passivkraft identifiziert. Um die Schmierwirkung des KSS zu berücksichtigen, wurde ein Penetrationsmodell des KSS in den Kontaktbereich zwischen Span und Werkzeug implementiert. Mögliche Auswirkungen des reibungsreduzierenden Einflusses von KSS auf den Zerspanungsprozess können dadurch analysiert werden. Die Kalibrierung und Verifizierung dieses Modells haben sich jedoch als kompliziert erwiesen, da technologisch nicht bestimmbare Parameter abgeschätzt werden müssen. Auch weitere KSS-bedingte Effekte, wie beispielsweise mögliche Verdampfungsgebiete des KSS um den Span, konnten durch die neuen Simulationsmodelle identifiziert werden. Das beendete Forschungsprojekt bildet damit die Grundlage, weiterführendes Verständnis des Einflusses von KSS auf den Zerspanungsprozess numerisch zu erlangen. Die erstellten Modelle und Erkenntnisse dieses Forschungsprojekts motivieren das Forschungsprojekt „Multiphasen-Modellierungen von Kühlschmierstoff und dessen Aerosole in der Zerspanungssimulation mit der Finite-Pointset-Methode zur Untersuchung der Wirkungsmechanismen“, welches im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes „Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse“ (SPP 2231 FluSimPro) durchgeführt wird. Schwerpunkt wird dabei die Modellierung von verschiedenen Phasen innerhalb des KSS sein, um eine mögliche Verdampfung sowie zusätzliche KSS-Strategien berücksichtigen zu können. Des Weiteren sollen erkannte Limitationen in der Modellierung der Schmierwirkung durch weiterführende Ansätze überwunden werden.

Publications

• Smoothed Particle Hydrodynamics simulation of the machining process of Inconel 718. 18th Machining Innovations Conference for Aerospace Industry, 28 - 29. November 2018, Garbsen, Deutschland
  Barth, E.
  
• Smoothed Particle Hydrodynamics simulation of the machining process of Inconel 718. Procedia Manufacturing 18 (2018), S. 1 - 11
  Uhlmann, E.; Barth, E.
  
• Möglichkeiten der Simulation im Bereich der Zerspanung. 41. Industrie-Arbeitskreis Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe, 6. - 7. November 2019, Braunschweig, Deutschland
  Barth, E.
  
• Fully coupled wet cylindrical turning simulation using the Finite-Pointset-Method. 18th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations, Ljubljana, Slovenia. Geplant vom 15. - 17.06.2021
  Barth, E.