Parametrische Modellbildung, Prognose und Optimierung von Prozess-Struktur-Wechselwirkungen mit Hilfe von Mehrkörpermodellen und Implicit Filtering
Final Report Abstract
Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde ein Werkzeug zur Prognose optimaler Parameterkombinationen für einen Plandrehprozess entwickelt. Dieses besteht aus einer Mehrkörpersimulationssoftware und einem Optimierungswerkzeug. Die Simulationssoftware (MBSim) wurde um das entwickelte Zerspankraftmodell erweitert. Ein Drehfräszentrum wurde in der Software modelliert und verifiziert. Zur Optimierung der Drehoperation wurden basierend auf einer Sensitivitätsanalyse Parameter ausgewählt, die das Prozessergebnis entscheidend beeinflussen. Um die Simulationsergebnisse in Bezug auf Produktivität sowie Produktqualität bewerten zu können, wurden Gütekriterien für typische Drehprozesse erarbeitet. Das entwickelte Werkzeug wurde erfolgreich zur Optimierung verschiedener Drehoperationen eingesetzt. Damit wurde zur etablierten Methode der Ratterfallanalyse eine ergänzende Methode entwickelt und an Beispielen deren Einsatzmöglichkeit gezeigt. Die zielgerichtete Optimierung ermöglicht eine allgemeine Analyse des Bearbeitungsprozesses. Insbesondere kann der Einfluss vieler Parameter auf die Qualitat und die Produktivität in endlicher Zeit bestimmt werden. Solch eine Analyse ist experimentell aufgrund der hohen Anzahl durchzuführender Versuche nicht möglich. Der Integration numerischer Modelle zur Simulation der Prozess-Struktur-Wechselwirkungen sind ebenfalls Grenzen gesetzt, da hierbei nur sehr kleine Zeitintervalle mit akzeptablen Rechenzeiten abgebildet werden können. Die Grundlage des Zerspankraftmodells bildet eine analytische Formulierung, welche mit dem Teilsystem der Werkzeugmaschine gekoppelt wird. Ein Teil der Parameter, wie beispielsweise die Scherspannung, wird in einer numerischen FEM-Spanbildungssimulation ermittelt und an das analytische Modell übergeben. In der FEM wird zum einen die Nichtlinearität des Material- und des Reibungsverhaltens definiert. Zum anderen können Wärmeentstehungs- und Wärmeübertragungsvorgänge modelliert werden. Der Zerspanprozess wird somit analytisch auf Makro- und numerisch auf Mikroebene betrachtet, wobei die Vorteile beider Beschreibungsformen ausgenutzt werden können. Das modulare Zerspankraftmodell eignet sich für den Einsatz im industriellen Umfeld und kann zukünftig als Werkzeug für die Berechnung gängiger Drehprozesse herangezogen werden. Hierzu wurde ferner eine Messmethodik erarbeitet, mit der die Temperaturen sowohl im rotierenden Werkstück als auch am Werkzeug aufgezeichnet und die Simulationsmodelle abgeglichen werden können. Die neue Modellierungsmethodik kann auch auf das Fräsen und das Bohren übertragen werden, wobei folgende Kernaspekte zu betrachten sind: Kopplung von analytischer und numerischer Zerspankraftmodellierung; Integration nichtlinearer Material- und Reibgesetze; Berücksichtigung der Detailgeometrie des Werkzeugs (Ecken- und Schneidkantenradius sowie Verschleiß). Das modulare Zerspankraftmodell kann zukünftig das Grundgerüst bei der Berechnung von Prozesskräften darstellen. Mit der Integration einer Spanbildungssimulation können deterministisch schwer bestimmbare Parameter ermittelt und an ein analytisches Zerspankraftmodell übergeben werden. Allerdings ist die Ergebnisgenauigkeit von den verwendeten Material- und Reibgesetzen sowie den hinterlegten mechanischen und thermischen Materialeigenschaften abhängig. Für gängige Materialpaarungen liegen in der Literatur bereits umfangreiche Untersuchungen vor, so dass die FEM-Modelle mit einem hohen Detaillierungsgrad erstellt werden können. Forschungspotenzial besteht nach wie vor in der Modellierung der Reibung, welche nach heutigem Wissensstand nicht vollständig erklärbar ist. Vor diesem Hintergrund wurde das modulare Zerspankraftmodell dahingehend konzipiert, dass die Teilsysteme sukzessive dem Fortschritt in der Zerspanungsforschung angepasst werden können. So werden beispielsweise neu entwickelte Material- oder Reibgesetze mit geringem Aufwand durch Anpassung der im FEM-Modell hinterlegten Subroutinen eingebunden. Reale Werkzeuge weisen sowohl eine Eckenrundung als auch einen Schneidkantenradius auf, was in der analytischen Zerspankraftsimulation oftmals unberücksichtigt bleibt Um eine realitätsnahe Prognose zu erzielen, wurden daher im modularen Modell das Konzept der äquivalenten Schneidkante und die Berechnung der Pflügekräfte integriert. Die vorliegende Arbeit ermutigt dazu, das Verfahren auf den Bearbeitungsprozess Fräsen zu portieren. Ein erster Schritt soll diesbezüglich im Rahmen des Vorhabens „Kopplung von analytischen und numerischen Modellen zur Simulation thermomechanischer Wechselwirkungen während der Fräsbearbeitung komplexer Werkstücke" gemacht werden. Ziel ist es hierbei, einen auf physikalischen Grundlagen basierenden Ansatz zur Beschreibung der Wärmestromdichte und der Zerspankraft zu entwickeln. Für den Aufbau der analytischen Teilmodelle werden Simulationen auf mikroskopischer Ebene durchgeführt, um die wesentlichen Prozessgrößen zu ermitteln. Eingebunden in ein makroskopisches Modell soll dies die ganzheitliche Simulation komplexer Fertigungsprozesse zeit- und kosteneffizient ermöglichen. Weiterhin können auch die zu variierenden Parameter der Drehbearbeitung erweitert werden. Die effiziente Implementierung erlaubt es, in Zukunft noch mehr Parameter, wie beispielsweise die Winkel des Werkzeugs, zu variieren. Die Modellierung mehrerer Drehmaschinen eröffnet die Möglichkeit, den Maschinentyp während der Optimierung zu verändern und darin auch den Maschinentyp als variable Größe zu berücksichtigen. Langfristig kann auch die Fertigungsmethode variiert werden. Dazu müssten ähnliche Prozesse, z. B. das Planschleifen und das Planfräsen, modelliert werden.
Publications
- Mehrkörpersysteme mit mengenwertigen Kraftgesetzen - Theorie und Numerik. Dissertation, Technische Universität München, 2007
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