Mehrskalenmodellierung der thermischen Werkstückbelastung beim Drehprozess unter Berücksichtigung der Kühlschmierstoffzufuhr

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Reinhold Kneer
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439919433

Der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) dient in der Zerspantechnik zum einem dem Abtransport der entstehenden Prozesswärme aus der Kontaktstelle Werkzeug-Werkstück und reduziert zusätzlich durch Schmierwirkung die Entstehung von Reibungswärme. Das in diesem Zusammenhang induzierte thermo-mechanische Belastungskollektiv hat einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächenintegrität und die damit verbundene Funktionalität des Bauteils. Diese mechanische und thermische Werkstückbelastung wurde jedoch in bisherigen Arbeiten lediglich getrennt modelliert, für ein umfassendes Prozessverständnis ist allerdings eben diese Interaktion zwischen Mechanik und Thermik in der Modellbildung notwendig. Die zentrale Zielsetzung des beantragten Forschungsvorhabens beinhaltet die Mehrskalenmodellierung der thermischen Werkstückbeanspruchung bei der Drehbearbeitung unter Berücksichtigung der Kühlschmierstoffzufuhr und des Werkzeugverschleißzustandes. Für die Modellierung der thermischen Beanspruchung wird in der ersten Förderperiode zunächst die Entwicklung eines Kopplungsansatzes zwischen Computational Fluid Dynamics (CFD) und Finite Element Methode (FEM) angestrebt. Der Kopplungsansatz beruht auf dem zyklischen Austausch von mechanischen und thermischen Größen zwischen FEM und CFD. Hierbei wird auf Basis von FEM Simulationen und Experimenten die Spangeometrie berechnet und für die Gittergenerierung der CFD bereitgestellt. In der CFD Simulation werden dann die Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt und an die FEM zurückgegeben, welche anschließend die veränderte Spangeometrie berechnet. Darüber hinaus werden in diesem Ansatz Submodelle für die Beschreibung des Reibverhaltens sowie der Kontaktwärmeübergänge unter Berücksichtigung von KSS entwickelt. Insgesamt können mit Hilfe dieses iterativen Kopplungsansatzes die Temperaturverteilung und -gradienten in der Randzone komplexer Bauteile während der Bearbeitung ermittelt werden. Durch die Anpassung der FEM-Spanbildungssimulation an die realen tribologischen Bedingungen in Form von Reib- und Wärmeübergangsmodellen wird eine wesentliche Lücke heutiger Modellierungsansätze geschlossen und ermöglicht so ein vollständig virtuelles Abbild des Zerspanprozesses unter Realbedingungen.

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