Simulation von Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Schneidstoff cBN wird häufig in der Endbearbeitung von gehärteten Werkstücken eingesetzt. Um die geforderten Oberflächengenauigkeiten zu erreichen erfordert dies allerdings Werkzeuge mit sehr geringem Freiflächenverschleiß. Ein gesteigertes Verständnis über die wirkenden Verschleißmechanismen bei cBN-Wendeschneidplatten ist eine grundlegende Voraussetzung, um diesen Schneidstoff wirtschaftlich in der Fertigung einsetzen zu können. Ein Modell zur Simulation des Werkzeugverschleißes, mit dem gezielt die Wirkung einzelner Einflussgrößen auf den Verschleiß analysiert werden können, kann zu einem besseren Verständnis bzgl. der einzelnen Verschleißursachen und ihren Auswirkungen auf die Verschleißausbildungen am Werkzeug führen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können dazu genutzt werden, geeignete Maßnahmen zur Verschleißreduzierung abzuleiten. Allerdings ist die Verfügbarkeit geeigneter Verschleißmodelle, die speziell den Anforderungen der Hartfeinbearbeitung gerecht werden, sehr gering. Das übergeordnete Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Simulationswerkzeuges zur qualitativen und quantitativen Verschleißvorhersage von cBN-Schneidwerkzeugen bei der Hartbearbeitung. Durch die drei-dimensionale Modellierung des Hartdrehprozesses war es erstmals möglich die Verschleißvorgänge an der Nebenfreifläche vorherzusagen. Insbesondere dem Verschleiß an der Nebenfreifläche kommt in der Hartbearbeitung eine wichtige Bedeutung zu, da dieser die Bauteilrandzone und die Oberflächenqualitäten maßgeblich beeinflusst. Schwerpunkte der ersten Forschungsperiode waren die Analyse und die zweidimensionale Simulation des Werkzeugverschleißes von unbeschichteten Hartmetall-Platten bei der Bearbeitung von TiAl6V4 und des Werkzeugverschleißes von cBN-Platten bei Bearbeitung von einsatzgehärteten 16MnCr5. In der industriellen Fertigung wird der Hartdrehprozess hauptsächlich im Außenlängsdrehverfahren eingesetzt. Hierbei befindet sich die Nebenschneide des Werkzeuges im Eingriff und ist für die resultierende Bauteiloberflächenqualität primär verantwortlich. Um den daraus resultierenden Verschleiß simulieren zu können, sind die vorangehend entwickelten Methodiken auf den dreidimensionalen Drehprozess übertragen worden. Zunächst sind hierfür umfangreiche Verschleißversuche durchgeführt worden, um die Verschleißausbildung an der Werkzeugschneide von cBN Schneidplatten beim Hartdrehen systematisch zu erforschen. Die experimentelle Analyse konnte aufzeigen, dass auch beim Runddrehen Abrasion und Adhäsion die primären Verschleißmechanismen bei der Hartbearbeitung mit cBN-Schneidteilen darstellen. Für die eigentliche Abtragssimulation ist, wie bereits im zwei-dimensionalen Modell, der Ansatz der gezielten Knotenverschiebung gewählt worden um so die Simulation der bekannten Verschleißformen an Span- und Freifläche zu ermöglichen. Abschließend erfolgte die Verschleißprognose und Evaluierung der entwickelten Verschleißsimulation für den Freiflächen und Spanflächenverschleiß. Für den industriell relevanten Schnittgeschwindigkeitsbereich konnte eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der prognostizierten und der experimentell ermittelten Werkzeugstandzeit erreicht werden. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten fiel die Abweichung zwischen Simulation und Experiment zunehmend größer aus. Die Erweiterung des bestehenden Verschleißraten-Modells um diffusionsbedingtem Verschleiß führte in der Simulation zu einer deutlichen Genauigkeitssteigerung; ein Indiz, dass für hohe Schnittgeschwindigkeiten temperaturaktivierte Verschleißprozesse die primäre Verschleißursache darstellen. Ebenso kommt auch die durchgeführte Sensitivitätsanalyse zu dem Schluss, dass die Temperaturen den Verschleiß von cBN-Schneidteilen maßgeblich beeinflussen. Das Potenzial der Verschleißsimulation zur Prognose des Kolkverschleißes konnte ebenfalls belegt werden. Mit der abschließend durchgeführten Sensitivitätsanalyse wurde deutlich, dass insbesondere temperaturaktivierte Verschleißprozesse das Leistungsverhalten von cBN-Schneidteilen bestimmen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 3D Tool wear simulation of cBN cutting inserts in hard turning. “DEFORM Anwendertreffen 2005”. Stuttgart, 14.05.2005
Frank, P.
- Simulation des Werkzeugverschleißes. In: Posterpräsentation zum Aachener Werkzeugmaschinenkolloquium, 2. und 3. Juni 2005
Klocke, F.; Frank, P.
- Prozesssimulation der Zerspanung am WZL der RWTH Aachen. In: Tagungsband „Workshop for Hybrid Materials for High Performance Systems“. Darmstadt, 12.10.2006
Frank, P.
- Simulation of Tool Wear in Hard Turning. In: Proceedings of the 9th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Hrsg.: Grabec, I.; Govekar, E., CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Eigendruck Universität von Ljubljana, 2006, ISBN 961-6536-06-0, S. 499-508
Klocke, F.; Frank, P.
- Verschleißsimulation von cBN-Schneidteilen beim Hartdrehen von 16MnCr5. „NUSIM Workshop“, Berlin, 29.03.2006
Frank, P.
- Integrated Simulation of Machine Tool and Process Interaction for Turning. In: Steel Research International 78 (2007), 10/11, ISSN 1611-3683, S. 831-838
Klocke, F.; Brecher, C.; Witt, S.; Frank, P.
- Machining simulation at the WZL – Selected project results. “DEFORM Machining Workshop”. Leinfelden-Echterdingen, 8.11.2007
Frank, P.
- Methodology for coupling a FEA-based process model with a flexible multi-body simulation of a machine tool. In: Proceedings of the 10th Modeling Workhsop on Machinig Operations, Hrsg.: Micari, F., Eigendruck University of Calabria/University of Palermo, 2007, S. 453-468
Klocke, F.; Brecher, C.; Witt, S.; Frank, P.
- Simulation des Zerspanprozesses unter Berücksichtigung des Freiflächenverschleißes und erhöhter Reibverhältnisse. In: Abschlussbericht des Verbundforschungsprojekts SindBap, Hrsg.: Aachen, W., Eigendruck WZL Aachen 2007, S. 51-62
Klocke, F.; Frank, P.
- Fertigungsverfahren I: Drehen, Fräsen, Bohren. Achte Auflage, Hrsg. F. Klocke, W. König, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 2008
Klocke, F. et al.
- Hard turning compared to grinding and selected project results. “Advanced HPT-Training at Sandvik”. Düsseldorf, 15.12.2008
Frank, P.
- 3D Tool Wear Simulation of cBN Cutting Inserts in Hard Turning. In: 12th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, May 7-8, 2009 Donostia-San Sebastián - Spain , Hrsg.: Arrazola, P., Faculty of Engineering Mondragon University, Mechanical and Manufacturing Department Mondragon/ Spain 2009, ISBN 9788460808640, S. 61-68
Klocke, F.; Frank, P.; Lung, D.
- 3D Tool wear simulation of cBN cutting inserts in hard turning. “DEFORM Anwendertreffen 2009”. Stuttgart, 14.05.2009
Frank, P.
- Verschleißsimulation von cBN-Schneidplatten beim Hartdrehen - Drei-dimensionales Modell des Zerspanprozesses zur numerischen Berechnung des Werkzeugverschleißes. In: wt Werkstattstechnik online 99 (2009), 1-2, ISSN 1436-4980, S. 35-41
Klocke, F.; Frank, P.
- Manufacturing-related product properties: challenges and changes. “1st international conference on product property prediction”. Bochum, 12.-13.04.2010
Klocke, F. et al.
