Simulation und Optimierung der KSS-Strömung zur Reduzierung der thermischen Werkzeugbelastung bei der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439920593

Die Produktionstechnik begegnet bei der Auslegung industrieller Fertigungsprozesse verstärkt der Herausforderung dem Anspruch der Ressourceneffizienz gerecht zu werden. Die Bohrbearbeitung schwer zerspanbarer Sonderlegierungen ist durch hohe thermomechanische Werkzeugbelastungen charakterisiert, sodass die Erforschung potenzieller Optimierungsansätze zum verschleißreduzierten Hartmetalleinsatz motiviert wird. In diesem Kontext wurde eine diskontinuierliche Prozessführung für die Bohrbearbeitung von Inconel 718 etabliert, die infolge von implementierten Rückzugbewegungen entgegen der Vorschubrichtung eine KSS-Umspülung der hochbelasteten Werkzeugschneiden ermöglicht. Die realisierte Neubenetzung der Wirkflächen ermöglicht einen Wärmeübergang in das Fluid und somit reduzierte thermische Belastungen. Die effiziente Einbringung dieser Schnittunterbrechung stellt die übergeordnete Zielsetzung des bilateralen Forschungsvorhabens dar. Die Entwicklung eines vollumfänglichen Simulationsmodells, das den bidirektionalen Wärmeübergang unter Berücksichtigung der Spanbildung sowie der KSS-Strömung abbildet, soll die Vorhersage auftretender Schneidkantentemperaturen ermöglichen und einen Richtwert für die Überschreitung thermischer Belastungsgrenzen herausstellen. Somit kann die Einbringung von Schnittunterbrechungen effizient erfolgen und die benötigte Werkzeugabkühlung bedarfsgerecht herbeigeführt werden. Im Rahmen der ersten beiden Förderphasen wurde in experimentellen Referenzuntersuchungen zur diskontinuierlichen Bohrbearbeitung eine Datenbasis generiert, die zur separaten Entwicklung einer Strömungssimulation sowie einer Spanbildungssimulation dienten. Über eine Strömungsvisualisierung sowie der Erfassung von thermomechanischen Werkzeugbelastungen konnten die jeweiligen Simulationsergebnisse validiert werden. Darauf basierend wurde ein gekoppeltes Simulationsmodell realisiert, das im Sinne der Zielsetzung befähigt ist, für die simulativ gestützte Prozessauslegung der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung zu fungieren. Zur Weiterentwicklung des Simulationsmodells wurde eine Material- und Reibungsmodellierung durchgeführt, sodass die Güte der an die CFD Simulation übergegebenen Daten weiter angehoben wird. Zum anderen profitiert die Simulation des Bohrprozesses von Komplexitätssteigerungen in der CFD Simulationsumgebung. Die dritte Förderphase fokussiert die simulative Untersuchung des Effekts erhöhter Schnittwerte auf die thermische Werkzeugbelastung, um im Zusammenspiel mit der optimierten Definition der Schnittunterbrechung eine Produktivitätssteigerung des diskontinuierlichen Bohrprozesses zu konzipieren. Ferner wird die Sonderlegierung Ti6Al4V in das gekoppelte Simulationsmodell implementiert sowie der Einsatz von wasserbasierten KSS analysiert. Außerdem wird das Simulationsmodell zur Entwicklung von strömungsoptimierten Werkzeugen genutzt. Abschließend sollen die gebündelten Erkenntnisse für Handlungsempfehlungen in der industriellen Anwendung dienen.

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