Mathematische Modellierung des Wärmeeintrags beim Fräsen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Wärmeeintrag in das Bauteil bei der Fräs-, Bohr- und Reibbearbeitung untersucht. Hierzu wurden Zerspanversuche durchgeführt, um die Einflüsse von Werkstück- und Werkzeugmaterial, Bearbeitungs- und Werkzeugparametern zu untersuchen. Seit Beginn der Arbeiten wurden folgende Werkstückmaterialien untersucht: Grauguss: • EN-GJL-260Cr; • EN-GJL-250. Gusseisen mit Vermiculargraphit: • EN-GJV-450. Stähle: • C45E; • 16MnCr5. Aluminiumlegierungen: • Aluminiumknetlegierung: AlSi1Mg; • Aluminiumgusslegierung: AlSi10Mg. Als Werkzeug kamen Fräswerkzeuge mit Wendeschneidplatten aus Hartmetall, Keramik und CBN, VHM-Schaftfräser, Bohr- und Reibwerkzeuge zum Einsatz. Die betrachteten Bearbeitungsparameter waren die Schnittgeschwindigkeit, der Vorschub, die Schnitttiefe und die Eingriffsbreite. An Werkzeugparametern wurden der Schneideckenradius, der Spanwinkel, der Werkzeugdurchmesser (Schaftfräser und Bohrwerkzeuge) sowie drei unterschiedliche Schneidengeometrien (rhombisch, oktaedrisch und rund) untersucht. Des Weiteren wurden unterschiedliche Werkzeugbeschichtungen (TiN/TiAlN, TiAlN/CrO, AlCrN) untersucht. Dabei wurden folgende Erkenntnisse für das Fräsen (Planfräser und Schaftfräser) gewonnen: Die Wärmestromdichte sinkt mit steigender Schnittgeschwindigkeit. - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigendem Vorschub. - Die Wärmestromdichte steigt mit steigender Schnitttiefe. - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigender Eingriffsbreite. - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigendem Spanwinkel. - Die Wärmedichte steigt mit wachsendem Schneideckenradius. - Gleichlauffräsen verursacht eine höhere Wärmedichte als Gegenlauffräsen. - Runde Schneidplatten verursachen eine höhere Wärmedichte als rhombische und oktaedrische Schneidplatten. Oktaedrische Schneidplatten verursachen die geringste Wärmedichte. Für die Bohrbearbeitung wurden die folgenden Zusammenhänge ermittelt: Die Wärmestromdichte steigt mit steigendem Bohrerdurchmesser - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigendem Vorschub - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigender Schnittgeschwindigkeit - Die Wärmestromdichte beim Bohren ist um Faktor 4 größer als beim Fräsen Die Arbeiten zu Reibwerkzeugen ergaben folgende Ergebnisse: - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigendem Vorschub - Die Wärmestromdichte sinkt mit steigender Schnittgeschwindigkeit - Bei Verwendung einer einschneidigen Reibahle mit Führungsleisten zeigt sich ein umgekehrtes Bild, was auf deren Auslegung auf eine Nassbearbeitung zurück zu führen ist. Aufgrund der dadurch schlechten Spanabfuhr, sorgen die durch die größeren Zerspanleistungen heißeren Späne für eine erhöhte Wärmestromdichte bei steigendem Vorschub und steigender Schnittgeschwindigkeit. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden mathematische Modelle erstellt, die die Entwicklung der Wärmestromdichte in Abhängigkeit der untersuchten Parameter abbilden. Dadurch ist es möglich die Wärmestromdichte für spezielle Anwendungsfälle zu berechnen. Ziel dieser Berechnungen ist die Kenntnis der Wärmestromdichte als Eingangsgröße für FEM- Simulationen. Mit Hilfe dieser Simulationen war es anschließend möglich, zu berechnen, wie sich ein Bauteil aufgrund der Fräs- und Bohrbearbeitung thermo-mechanisch verhält. Mit Kenntnis dieses Verzugsverhaltens können dann Fertigungsprozesse optimiert werden und Fertigungskosten eingespart werden. Die ermittelten mathematischen Modelle zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gemessenen Ergebnissen. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Modellierung der Wärmestromdichte bei den untersuchten Zerspanprozessen mit guter Genauigkeit möglich ist. Um eine einfache Anwendbarkeit der Modelle zur ermöglichen, wurde außerdem ein Programm entwickelt, welches es einem Anwender ermöglicht die resultierende Wärmestromdichte für unterschiedliche Zerspanprozesse in Abhängigkeit einer Vielzahl von Prozess- und Werkzeugparametern zu berechnen. In künftigen Arbeiten kann die Modellierung des Wärmeeintrags als Eingangsgröße für weitere Simulationsmodelle verwendet werden. Ein Beispiel stellt dabei das Projekt „Untersuchung des Wärmeeintrags beim Kurzlochbohren sowie der daraus resultierenden Beeinflussung der Bohrungswand am Beispiel von 42CrMo4“ dar, welches innerhalb des Schwerpunktprogrammes 1480 am Institut für Produktionstechnik bearbeitet wird. Hierbei wird untersucht und berechnet, wie Gefügeumwandlungen in Bauteilrandschichten aufgrund der spanenden Bearbeitung entstehen. Als Eingangsgröße werden hier unter anderem ebenfalls Temperaturen und Wärmeströme benötigt. Hierfür können die ermittelten Modelle genutzt, angepasst und weiterentwickelt werden. Sie bilden damit die Basis für weitere Arbeiten. Eine mögliche Anwendung stellt auch die Nutzung des Programms dar, welches auf den entwickelten Modellen basiert. Durch eine anwenderfreundliche Gestaltung lässt es sich einfach in der spanenden Fertigung und der Fertigungsplanung einsetzen, um die thermische Belastung von Bauteilen bei der spanenden Bearbeitung abzuschätzen und alternative Prozessführungen abzuleiten.
Publications
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