Multiskalige numerische Modellierung und Optimierung der Wirkung des Kühlschmierstoffs beim Wälzschälen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Professor Dr. Michael Moseler; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Strömungsmechanik ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439954775

Ziel des Projektes ist die Modellierung der Kühlschmierung und der Spanbildung in dem kinematisch komplexen und schwer zugänglichen Zerspanungsprozess des Wälzschälens. Beim Wälzschälen variieren die Zerspanungsbedingungen entlang der Schneidkante und während des Eingriffs. Es entstehen mehrteilige Späne, die den Prozess immer wieder stören, weil sie an Werkstück- und Werkzeugoberflächen anhaften oder zwischen Werkstück und Freifläche geraten. Dadurch entstehen Effekte wie Spanklemmer, die zu Oberflächenfehlern und Werkzeugverschleiß führen. Erst die Modellierung der Spanbildung unter dem Einfluss des Kühlschmierstoffes ermöglicht ein Verständnis für die Entstehung von Spanklemmern. Dominierende Faktoren für die Spanbildung sind die Prozessstellgrößen sowie die Kühlschmierstoffwirkung zwischen Span und Spanfläche. Die Optimierung der Kühlschmierstoffzufuhr erfolgt in der Praxis iterativ und erfahrungsbasiert. Eine modellbasierte Prozessoptimierung erfordert die Berücksichtigung der Kühlschmierstoffzufuhr und -verteilung sowie die Abbildung der Einflüsse auf die Reibungsverhältnisse zwischen Span und Spanfläche und die Auswirkungen auf die Spanbildung und den Spanabfluss. Der gesamte Prozess ist zu komplex, um in einem einzigen Modell abgebildet zu werden. Daher soll eine Simulation entwickelt werden, in der ein Strömungsmodell mit einem Spanbildungs- und einem Reibungsmodell gekoppelt wird. Ziel der dritten Förderphase ist es, die erarbeiteten gekoppelten Simulationsmethoden für das Wälzschälen mit Druckluft und Ölüberflutung für die Prozess- und Spülwirkung einzusetzen. Der betrachtete Prozess soll in den Teilbereichen Tribologie, Spanbildung und Fluidströmung unter Berücksichtigung der komplexen Mechanismen, die zu Spanklemmern führen, skalenübergreifend optimiert werden. Die Spanbildung wird mittels FEM-Simulation abgebildet. Die Modellierung des Kühlschmierstoffkonzepts erfolgt mit der SPH-Methode. Die Wirkung des Fluids im Prozess wird durch molekulardynamische Simulationen berücksichtigt. Aufbauend auf dem generierten Verständnis der Bildung von Spanklemmern sollen im ersten Schritt des Projektes geeignete Kühlschmierstrategien unter Berücksichtigung der Hauptmechanismen der untersuchten Skalen entwickelt werden. Anschließend soll die Prozesskinematik hinsichtlich der Spanbildung unter Berücksichtigung der Vorbenetzung und der Berührlinie optimiert werden, um höhere Werkzeugstandzeiten und die Vermeidung von Spanklemmern 2. Ordnung zu gewährleisten. Abschließend soll die Wirksamkeit der Änderungen anhand von Versuchen nachgewiesen werden.

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