Werkzeug- und Prozessentwicklung für effiziente Ejektortiefbohrprozesse mittels Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439917965

Infolge stark steigender Energiekosten gewinnt die Verbesserung der Effizienz und die Optimierung von Werkzeugen in der spanenden Fertigung zunehmend an Bedeutung. Da bei spanenden Werkzeugmaschinen der Gesamtenergiebedarf aufgrund der energieintensiven Prozessanforderungen, wie z. B. hohe Volumenströme, maßgeblich durch die KSS Versorgung beeinflusst wird, bietet dieser Bereich großes Optimierungspotenzial, um Zerspanprozesse ressourceneffizienten durchzuführen. Dabei ermöglicht insbesondere das Ejektortiefbohren die Möglichkeit, hochpräzise Tiefbohrprozesse mit hohen Zerspanleistungen und sehr guten Oberflächengüten auf konventionellen Bearbeitungszentren nutzbar zu machen. Aufgrund des ungenügenden Prozesswissens zu den physikalischen Vorgängen beim Ejektortiefbohren ist der aktuelle Einsatz in der Industrie mit einem ineffizienten Ressourcenaufwand verbunden, da der KSS Volumenstrom oftmals deutlich größer als erforderlich eingestellt wird, wodurch höhere Prozesskosten mit stark gestiegenem Energieaufwand entstehen. Daraus leitet sich die übergeordnete Zielsetzung des kooperativen Forschungsvorhabens ab, eine Werkzeug und Prozessentwicklung für effiziente Ejektortiefbohrprozesse durchzuführen. In der ersten Phase des Forschungsvorhabens ist es gelungen, mithilfe des gitterfreien Simulationsansatzes der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) in Kombination mit aktuellen experimentellen und messtechnischen Analysemethoden ein tiefgreifendes Verständnis der Wirkzusammenhänge der Strömungsverhältnisse zu erarbeiten und in einem physikalischen Simulationsmodell abzubilden. In der zweiten Förderphase wurde das thermomechanische Belastungskollektiv charakterisiert und der Spanbildungsprozess beim Ejektortiefbohren analysiert. Diese wurden als Eingangs und Validierungsdaten für die Struktur und Strömungssimulation verwendet. Mithilfe der SPH Simulation wurden die Strömungscharakteristika am Bohrkopf modelliert und der Einfluss der konstruktiven Optimierungsmaßnahmen im Hinblick auf eine verbesserte KSS Versorgung der Schneiden und Führungsleisten sowie einen verbesserten Spanabtransport wurde validiert. Auf Grundlage der Ergebnisse konnten zwei Prototypenversionen additiv im Pulverbettverfahren hergestellt werden, deren Einsatzfähigkeit in aktuellen Versuchsreihen erprobt wird. Die dritte Förderphase verfolgt das abschließende Hauptziel, den Ejektortiefbohrprozess vollumfänglich zu erfassen und auf Grundlage der Modellierungsergebnisse additiv gefertigte modulare Ejektordüsenadapter zu entwickeln und in den KSS Zuführungsbereich des Werkzeugsystems zu integrieren. Abschließend erfolgt eine Energieeffizienzbetrachtung unter Berücksichtigung der gesamten Forschungsergebnisse, bei der die strömungsoptimierten Ejektorbohrköpfe in Kombination mit dem modularen Ejektordüsenadapter sowie dem optimalen Arbeitsregime mit dem Referenzwerkzeug mit Standardparametern verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)