A01: Werkzeug- und Spannmittelverformung

Modellgestützte Beschreibung der thermo-energetischen Wirkungen in spanenden Werkzeugen und Werkstückspannvorrichtungen und der gezielten Beeinflussung von Schneiden- und Bauteilverlagerungen mit dem Ziel der Optimierung und Kompensation

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Matthias Putz: TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse

Die bei der spanenden Bearbeitung in Werkzeug und Spannvorrichtung eingetragene Prozesswärme führt dort zu thermisch bedingten Verformungen und damit zu veränderten Schneidenpositionen, Bauteilverlagerungen und Spannkraftänderungen. Diese qualitäts- und sicherheitsrelevanten Vorgänge werden bisher an Werkzeugen nur unzureichend berücksichtigt. Beispielsweise wird die thermische Längenänderung des Werkzeuges während der Bearbeitung und auch beim Werkzeugwechsel nicht beachtet, sodass es zu Oberflächenfehlern und Maßabweichungen bis zu mehreren Hundertstel Millimetern kommen kann. Der Trend zur Trockenbearbeitung und die dadurch höheren Energieeinträge bei gleichzeitig zunehmenden Genauigkeitsanforderungen im Mikrometerbereich machen deshalb die Betrachtung des Gesamtsystems unter Einbeziehung des Werkzeugs notwendig.
Aufgabe des Teilprojektes A01 ist es, das thermisch bedingte Verhalten von Werkzeugen mit dem Ziel der Korrektur bzw. Kompensation von Maß- und Spannkraftabweichungen modellhaft zu beschreiben und diese Komponenten unter thermo-energetischen Gesichtspunkten zu optimieren. Das Teilprojekt A01 vervollständigt damit die thermo-mechanische Beschreibung der Werkzeugmaschine (A05) und deren Wechselwirkung mit der Umgebung (B09) durch die Einbeziehung des Werkzeugs. Ausgehend vom Energieeintrag an der Wirkstelle werden die Wärmeströme im Werkzeug unter Berücksichtigung der konvektiven Wärmeübergänge zur Umgebung durch Luftkühlung analysiert. Weiterhin werden folgende Möglichkeiten zum Umgang mit der prozessbedingt eingebrachten Wärme untersucht:

  • möglichst schnelle Ableitung der Wärme,
  • Isolierung von Schneidteil bzw. Werkzeug von der Maschine,
  • Minimierung thermisch bedingter Verformungen,
  • Nutzung der Wärme zur Kompensation von Verformungen.

Allgemeine Umgebungstemperaturen und Wärmeübergangszahlen werden aus den Teilprojekten B02 und B09 übernommen, während werkzeugspezifische Modelldaten in eigenen experimentellen Untersuchungen ermittelt werden.
Die Werkzeugmaschine und das Bauteil selbst werden dabei nicht betrachtet.

Arbeitsprogramm

In der abgeschlossenen Phase 1 wurden Grundlagen für experimentelle und numerische Untersuchungen der thermo-energetischen Wirkungen im Werkzeug geschaffen. Es wurde ein Versuchsstand aufgebaut, auf dem thermisch belastete Werkzeuge in Langzeitversuchen umfassend vermessen werden können. Entsprechende Experimente fanden sowohl für stillstehende als auch für rotierende Werkzeuge statt. Die Werkzeugerwärmung wurde über Heizstäbe bzw. mittels Induktion realisiert. Über numerische Modelle auf Basis der Finiten-Elemente-Methode erfolgten der Parameterabgleich und die Berechnung der Wärmequellen und Wärmeströme.
Untersucht wurde weiterhin experimentell und numerisch die Werkzeugumströmung mit Luft, wobei auch über Wirbelrohr gekühlte Luft zum Einsatz kam. Die numerischen Untersuchungen erfolgten hier mit CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics).
Als eine neue Methode der Nutzung von Wärme zur Kompensation von Verformungen wurden auxetische Strukturen sowohl theoretisch mit FE-Modellen als auch experimentell untersucht. Solche Strukturen haben auf Grund ihrer geometrischen Gestalt eine negative Querkontraktionszahl und – in Kombination mit Körpern, die unter Wärmeaufnahme expandieren – de-facto eine negative Wärmedehnzahl.
In Phase 2 werden die Arbeiten zu thermo-energetischen Wirkungen im Werkzeug fortgesetzt, aufbauend auf den entwickelten FE-Modellen und den experimentellen Untersuchungen. Dazu wird vorrangig die Trockenbearbeitung aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen betrachtet. Wie bisher dient die Parameteridentifikation dem Prozessverständnis und der Bestimmung einflussnehmender Größen.
Die Isolierung der Schneide bzw. des Werkzeugs vom Spannfutter wird untersucht. Unter Berücksichtigung der Wärmeübergänge (Teilprojekt B02) wird die Schnittstelle Werkzeug/Spannfutter konstruktiv verändert. Ziel ist ein örtlich und zeitlich verändertes Temperaturfeld, so dass möglichst viel Wärme über das Werkzeug an die Umgebung abgegeben wird oder dass das Werkzeug schnell ein möglichst konstantes Temperaturniveau erreicht und beibehält.
Vertiefend wird die Wirkung gezielter Luftkühlung untersucht, indem der Wärmetransport durch Wärmemitführung in strömender Luft ermöglicht wird. Die Potentiale sind herauszustellen, Einflussgrößen der Luftkühlung sind zu untersuchen und zu bewerten. Darüber hinaus werden praxisnahe effiziente Kühlszenarien vorgeschlagen.
Mittels numerischer Simulation werden messtechnisch nicht erfassbare Parameter ermittelt. Diese sind in erster Linie thermische Rand- und Übergangsbedingungen, aber auch Eigenschaften der Strömungsrandschichten und das Strömungsverhalten an schwer zugänglichen Orten.
Die entwickelten Modelle werden an das Integrationsobjekt Motorspindel im Sonderforschungsbereich übertragen und angewendet, Plausibilitätsprüfungen sind durchzuführen, eine übergeordnete Bewertung des thermischen Verhaltens für den jeweiligen Objektbereich wird ganzheitlich ermöglicht.
Gegenstand weiterer Untersuchungen sind die Modellierung der Prozesswärme von Zerspanungsprozessen sowie die Berechnung der Anteile, welche in das Werkzeug, Werkstück und den Span übertragen werden. Mittels numerischer FE-Simulation werden auf Basis ausgewählter Berechnungsmethoden die Prozesswärme quantifiziert und dessen Anteile berechnet. In Zusammenarbeit mit Teilprojekt A02 sind zudem ausgewählte Prozesse mit experimentellen Untersuchungen zu verifizieren. Weiterhin wird eine Übertragbarkeit der bisher entwickelten Modelle auf Schleifprozesse in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A03 geprüft.