Simulation und Optimierung der KSS-Strömung zur Reduzierung der thermischen Werkzeugbelastung bei der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439920593

Die Bohrbearbeitung der schwer zerspanbaren Nickelbasislegierung Inconel 718 ist mit hohen thermomechanischen Werkzeug- und Werkstückbelastungen verbunden, die in verminderten Standzeiten und Randzonenschädigungen am Bauteil resultieren. Die Optimierung der Kühlschmierstoffversorgung bildet hierfür einen zentralen wissenschaftlichen Forschungsansatz, um den beschriebenen Prozesscharakteristiken entgegenzuwirken. In diesem Kontext erfolgt die Adaption der Wendelbohrbearbeitung hin zu einer diskontinuierlichen Prozessführung, die eine potenziell effizienzsteigernde Weiterentwicklung darstellt. Über die Implementierung einer kurzzeitigen Rückzugsbewegung entgegen der Vorschubrichtung wird die Spanbildung unterbrochen und es erfolgt eine Neubenetzung der Schneidkanten mit Kühlschmierstoff, die eine Fluidumströmung der Werkzeugschneiden erlaubt und eine Abkühlung dieser bezweckt. Durch erste exemplarische Anwendungen des innovativen Bohrverfahrens konnte eine Reduzierung von Verschleißerscheinungen an der Werkzeugfreifläche sowie positive Effekte auf die Randzonenintegrität der Bohrungen nachgewiesen werden. Über die simultane Generierung experimenteller Eingangsgrößen konnte die Entwicklung der FEM-Spanbildungssimulation eingeleitet und die CFD-Strömungssimulation für den Bohrprozess ausgearbeitet werden, so dass detaillierte Einblicke in die strömungsmechanischen Vorgänge innerhalb der geschlossenen Wirkzone des Prozesses möglich sind. Die simulierten Strömungen am Bohrungsgrund konnten über experimentelle Hochgeschwindigkeitsanalysen erfolgreich validiert werden.Aus diesen Vorarbeiten leitet sich die zentrale Zielsetzung der zweiten Förderphase ab, die Entwicklung eines Simulationsmodells abzuschließen, das eine realitätsnahe und vollständige Abbildung des bidirektionalen Wärmeübergangs ermöglicht und damit präzise Temperaturen an der Schneidkante unter Berücksichtigung von Spanbildung und Kühlmittelströmung berechnen kann. Die Güte dieser Simulation soll über die Einbringung von experimentell erarbeiteten Materialparametern der Nickelbasislegierung sowie einer experimentellen Reibungscharakterisierung weiter erhöht werden und gleichermaßen von Komplexitätssteigerungen der CFD-Simulationsumgebung profitieren. Dieses Vorgehen ermöglicht die Ausarbeitung einer diskontinuierlichen Prozessstrategie, die mit reduzierten thermomechanischen Werkzeug- und Werkstückbelastungen einhergeht und damit unter erhöhten Schnittparametern angewendet werden kann, so dass über erhöhte Bauteileigenschaften hinaus zusätzlich eine gesteigerte Produktivität erreicht werden kann. Final wird das entwickelte Simulationsmodell verwendet, um strömungsoptimierte Anpassungen der Werkzeuggestalt vorzunehmen und anwendungsspezifische Schneidstoffe sowie Beschichtungen simulativ zu identifizieren.

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