Voll gekoppelte Fluid-Struktur-Kontakt-Simulationen zum Verständnis der Vorgänge in den Kontaktzonen beim Orthogonalschnitt unter KSS (zugehörig SPP 2231 - FLUSIMPRO)

Bei der Zerspanung metallischer Werkstoffe treten in den Kontaktzonen hohe Temperaturen und Kontaktdrücke auf, die verschiedene Reibungsmechanismen initiieren und maßgeblich beeinflussen. Im Laufe des Prozesses führen diese Bedingungen zu Werkzeugverschleiß und einer Reduzierung der Bauteilqualität. Eine wesentliche Steuerungssmöglichkeit für die Kontaktsituation hin zu geringeren Spannungen und Temperaturen ist der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS), welche die primären Aufgaben haben, die Reibung in der Kontaktzone herabzusetzen und Wärme sowie Späne aus der Kontaktzone abzuführen. Die dabei wirkenden Mechanismen sind weitestgehend unerforscht, sodass der zielgerichtete Einsatz und die Vorhersagbarkeit der Wirkung durch Simulationsprogramme nur bedingt möglich sind. Das Ziel dieses Projekts ist die Erlangung eines tieferen Verständnisses der Wirkmechanismen in der sekundären Scherzone beim Einsatz von Kühlschmierstoffen im Orthogonalschnitt und darauf folgend die Entwicklung einer numerischen Methodik zur Vorhersage der Wirkung des KSS in der Kontaktzone durch eine tribologische CFD-Simulation. Zukünftig sollen die Erkenntnisse und Modelle in Spanbildungssimulationen zum Einsatz kommen, um die KSS-Wirkung bei der Prozess- und Werkzeugauslegung berücksichtigen zu können.

Abb.: Schematische Darstellung des Ablaufplans

Zur Erreichung dieses Ziels wird am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund die Kontaktsituation in verschiedenen experimentellen Versuchsreihen charakterisiert, wobei unterschiedlich präparierte Werkzeugoberflächen zum Einsatz kommen. Neben der Charakterisierung der Oberflächentopografien erfolgt eine Untersuchung des Benetzungsverhaltens bei Aufbringung des KSS. Darüber hinaus sollen in einem Äquivalenzversuchsstand zur Reibungscharakterisierung erste Erkenntnisse über das Reibungsverhalten zwischen Hartmetallkörpern und C45 bzw. Ti6Al4V bei Verwendung von KSS erlangt werden. Auf Basis der Ergebnisse wird am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik der TU Wien ein tribologisches Modell entwickelt, das das Verhalten der in Kontakt befindlichen Reibpartner und des KSS auf Mikroebene abbilden soll. Im Fokus steht hier insbesondere der Aufbau einer voll gekoppelten Fluid-Struktur-Kontaktsimulation für den Anwendungsbereich Orthogonalschnitt. Kernelemente der numerischen Methode sind spline-basierte Finite-Elemente-Methoden sowie randkonforme Rechengitter unter Nutzung der Raumzeitdiskretisierung. Zum Abschluss der ersten Förderperiode ist es geplant, in einem ersten Validierungsversuch Reibungskoeffizienten aus der tribologischen CFD-Simulation zu generieren und in FEM-Spanbildungssimulation einzusetzen. Im Rahmen einer experimentellen Versuchsreihe zur Validierung sollen weiterhin, neben den mechanischen Werkzeugbelastungen mithilfe eines partiell und temporär unterbrochenen Schnittes auch Informationen bezüglich der Benetzung und der Temperaturen in der sekundären Scherzone generiert und mit den Simulationsresultaten verglichen werden.



Für weitere Informationen wird auf das DFG-SPP 2231 - FluSimPro verwiesen.




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