Entwicklung eines simulativen Modells zur Einflussanalyse des Kühlschmierstoffes beim Wendeltiefbohren mit kleinen Durchmessern unter Berücksichtigung der Spanbildung

Das Tiefbohren gewinnt insbesondere bei der Fertigung von Bohrungen mit kleinen Durchmessern immer mehr an Bedeutung und wird in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt. Als Verfahren kommen vor allem das Einlippen- und Wendeltiefbohren zum Einsatz, wobei mit Letzterem aufgrund der Gestaltmerkmale des Werkzeugs größere Vorschubwerte und eine höhere Produktivität erreicht werden können. Eine effiziente Versorgung der Werkzeugschneide mit Kühlschmierstoff (KSS) vermindert insbesondere bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen den Verschleiß, erhöht die Werkzeugstandzeit und sorgt für eine verbesserte Prozesssicherheit durch einen stetigen Spanabtransport. Die prozessinterne Ermittlung des mechanischen und des thermischen Belastungskollektivs zur Analyse und Optimierung dieser Tiefbohrprozesse erfordert in der Regel dedizierte Messtechnik und erzeugt einen hohen Aufwand bei der experimentellen Untersuchung. Ziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung eines geeigneten Modells für die simulative Abbildung des Prozesses zur Einflussanalyse des Kühlschmierstoffes beim Wendeltiefbohren mit kleinen Durchmessern.

Bestehende thermische Finite-Elemente-Methode-Simulationen (FEM) beschränken sich bei der Integration der Kühlschmierstoffzuführung auf die Annahme konstanter und gleichmäßiger Konvektionsbedingungen. Die Abhängigkeiten der lokalen Konvektion von der Strömungsgeschwindigkeit, von Turbulenzen in der Strömung und den Temperaturgradienten zwischen Medium und der Werkzeug- und Werkstückoberfläche bleiben unberücksichtigt. In konventionellen Computational-Fluid-Dynamics-Simulationen (CFD) werden auf der anderen Seite Gestaltänderungen des Werkstück-Werkzeug-Modells durch die Spanbildung bei der Vorhersage der Strömungen des KSS in der Kontaktzone nicht berücksichtigt. Die Kopplung der beiden Simulationen im Rahmen der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) ermöglicht eine deutlich genauere Berechnung der resultierenden Temperaturfelder und der thermischen Lasten innerhalb des Werkzeugs und des Werkstücks in Abhängigkeit vom KSS-Druck. Mit dem entwickelten Modell lässt sich so die Werkzeuggestalt hinsichtlich der KSS-Strömung am Kühlkanalaustritt optimieren, sowie der nötige KSS-Druck in Bezug auf eine effektive Prozesskühlung bei gleichzeitig reduzierter Antriebs- bzw. Pumpenleistung berechnen.

Die Datenbasis für die Entwicklung und Verifizierung des simulativen Modells liefern experimentelle Untersuchungen an einer Mikrotiefbohrmaschine. Der Werkzeugdurchmesser für den untersuchten Wendeltiefbohrprozess liegt dabei bei d = 5 mm. Dieser Durchmesser ist noch dem Mikrobereich zugeordnet und ermöglicht die Übertragung des entwickelten Modells auf kleinere Durchmesser. Als Werkstoff kommt der nichtrostende Stahl X2CrNi17-12-2 zum Einsatz. Die dabei auftretenden mechanischen und thermischen Lasten können durch piezoelektrische Sensoren und Thermoelemente aufgezeichnet werden. Mittels Hochgeschwindigkeitskamera und speziellen Versuchsaufbauten lassen sich dabei zudem die Spanbildung und die KSS-Strömung unter realen Prozessbedingungen beobachten und analysieren.

Abb.: Modellierung der KSS-Strömung unter Berücksichtigung der Spanbildung

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