A02: Energiemodell für Fräsprozesse

Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Fräsprozessen umgesetzten Energien

Teilprojektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke, Dr.-Ing. Patrick Mattfeld: RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor, Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

Bei der Fräsbearbeitung wird ein großer Anteil der für die mechanische Trennarbeit bereitgestellten Energie in Wärme umgewandelt. Der Fräsprozess stellt damit eine der entscheidenden Wärmequellen in heutigen Produktionsmaschinen dar und ist maßgeblich verantwortlich für die thermo-elastische Verlagerung der Maschinenstruktur während der Bearbeitung. Um das Gesamtziel des vorliegenden SFB/Transregio, die thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen, realisieren zu können, bedarf es der genauen Kenntnis der durch den Prozess eingebrachten Wärmestromverteilung. Das Ziel des Teilprojekts A02 ist die Entwicklung eines parametrierten Prozessmodell, das basierend auf den für den Wärmeentstehungsprozess relevanten Prozessgrößen, die Wärmestromverteilung auf die Komponenten Werkstück, Werkzeug und Span ermittelt. Die Wärmestromdichtenverteilung kann nach dem Fourierschen Gesetz mit Hilfe der Temperaturverteilung und der Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit des betrachteten Materials ermittelt werden. Um die Temperaturverteilung zu berechnen muss prinzipiell die allgemeine, d.h. instationäre und dreidimensionale Wärmeleitungsdifferentialgleichung unter Berücksichtigung von Wärmequelltermen gelöst werden. Da für dieses Problem keine allgemeingültige Lösung existiert, müssen Modellannahmen getroffen werden, die z.B. eine Lösung der Differentialgleichung für den Fräsprozess ermöglichen. Um dieses Ergebnis zu erreichen, werden im ersten Antragszeitraum zunächst die relevanten Wärmeentstehungsmechanismen in der Zerspanzone identifiziert. Die Hauptwärmequellen, d.h. die plastische Deformation in der Scherzone und die Reibung zwischen Span und Spanfläche, werden mit Hilfe geeigneter Randbedingungen modelliert und über geeignete Analogien experimentell untersucht. Bei den Eingangsparametern wird der Fokus auf Spanungsgrößen, Geschwindigkeitsgrößen, Schneidkeilgeometrie, Beschichtungstypen des Werkzeugs und Materialparameter gelegt. Eine Betrachtung des Kühlschmierstoffs wird vorerst nicht angestrebt, sodass die Untersuchungen ohne Schmierstoffeinsatz erfolgen. Im zweiten und dritten Antragszeitraum gilt es dann die stationären und instationären Anteile des Wärmetransports zu modellieren, um so die Verteilung der Wärmeströme in das Gesamtsystem Maschine in seiner Gesamtheit beschreiben zu können.

Arbeitsprogramm

Das Teilprojekt A02 ist in drei Arbeitspakete gegliedert. Im Vorfeld der Untersuchungen wird ein Demonstratorbauteil für das Fräsen definiert und bearbeitet, um so reale Kennwerte für Kräfte und Antriebsleistungen für die weiteren Forschungsarbeiten des SFB/Transregios zur Verfügung zu stellen. Das erste Arbeitspaket legt den Fokus auf die Wärmeentstehung durch Reibung. Innerhalb dieser Untersuchungen werden Validierungsversuche mit einem Stift-Scheibe-Tribometerprüfstand durchgeführt. Die Modellierung des Einflusses der plastischen Deformation in der Scherzone wird im zweiten Arbeitspaket untersucht. Die experimentelle Validierung wird in diesem Fall auf Split-Hopkinson Bar Test Prüfständen erfolgen. Die kombinierten Effekte von Reibung und Scherung sind Gegenstand des dritten Arbeitspaketes.A02_Phase2