Multiphasen-Modellierungen von Kühlschmierstoff und dessen Aerosole in der Zerspanungssimulation mit der Finite-Pointset-Methode zur Untersuchung der Wirkungsmechanismen (MultiKSS)

• Antragsteller: Dr. Jörg Kuhnert; Professor Dr.-Ing. Martin Sommerfeld; Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439626733

Die Wirkungsmechanismen von Kühlschmierstoff (KSS) und dessen Aerosole in Zerspanungsprozessen sind bisher nicht vollumfänglich verstanden. Es existieren verschiedene Thesen zu diesen Wirkungsmechanismen für eine Vielzahl an Einflussfaktoren wie z. B. KSS Zuführung, Prozessparameter oder KSS-Stoffeigenschaften. Beispielsweise wird das Ausspülen einer isolierenden Dampfschicht, welche sich aufgrund der heißen Span- und Werkzeugoberflächen bildet, ab einem bestimmten KSS-Druck als Ursache für eine gesteigerte Kühlwirkung vermutet. Der positive Einfluss von fein verstäubten KSS Sprühnebeln bei einer Mindermengenkühlschmierung wird in Ansätzen auf die tropfenweise Verdampfung zurückgeführt. Selbst die Elementarprozesse, wie Tropfentransport, Tropfen-Tropfen-Kollisionen, Tropfenkollisionen mit heißen Oberflächen sowie Tropfenverdampfung innerhalb eines Sprühnebels werden durch die KSS-Stoffeigenschaften beeinflusst, wodurch sich die Wirkungsmechanismen ändern. Mittels der netzfreien Finite Pointset-Methode (FPM) sollen u. a. diese Fragestellungen im Rahmen dieses Projekts anhand von drei hergeleiteten Forschungshypothesen numerisch analysiert werden. Der Vorteil der FPM ist dadurch gegeben, dass eine Fluid- und Struktursimulation sowie die Fluid Struktur-Kopplung auch bei großen Deformationen ganzheitlich innerhalb dieser Methode simuliert werden kann. Aufgrund dessen ist es bereits gelungen, die Spanbildung für einen Längs-Runddrehprozess mit einem einphasigen Fluid mit der FPM abzubilden. Innerhalb dieses Projekts werden die bestehenden KSS-Modelle um Dampfphase und Sprühnebel sowie deren physikalische Wirkungsmechanismen erweitert. Die Dampfphase wird in der FPM als monolithische numerische Entität über eine erweiterte Zustandsgleichung implementiert. Elementarprozesse innerhalb eines Sprühnebels werden durch semi-empirische Modelle der Tröpfcheninteraktionen in einer Lagrangeschen Betrachtungsweise berücksichtigt. Diese Modelle werden auf der Grundlage von detaillierten Laborexperimenten entwickelt. Die entstehende Multiphasen-Modellierung des KSS sowie dessen Aerosole wird genutzt, um die Wirkungsmechanismen im Zerspanungsprozess umfassend zu analysieren. Um diese Zielsetzung zu erreichen, sind in der Projektphase 1 KSS-Modelle sowie Modelle der Wirkungsmechanismen in Bezug auf eine Dampfphase entwickelt worden. In der nun folgenden Projektphase 2 werden diese Modelle und Erkenntnisse einerseits in die Zerspanungsanwendung integriert, um mögliche Verdampfungseffekte von KSS zu analysieren. Anderseits werden die KSS-Modelle um die Funktionalität des Sprühnebels erweitert, damit in der Projektphase 3 auch die Effekte der Mindermengenkühlschmierung untersucht werden können. Neben der Schaffung von allgemeinem Prozessverständnis werden durch die Anwendung der KSS-Strategien konventionelle Überflutungskühlung, Hochdruck-KSS-Zufuhr sowie Mindermengenkühlschmierung auch ökologische und ökonomische Optimierungen des Einsatzes von KSS möglich.

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