Multiskalige numerische Modellierung und Optimierung der Wirkung des Kühlschmierstoffs beim Wälzschälen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Professor Dr. Michael Moseler; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Strömungsmechanik ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439954775

Ziel des Projektes ist die Modellierung der Kühlschmierung und Spanbildung in dem kinematisch komplexen und schlecht zugänglichen Zerspanungsprozess Wälzschälen. Beim Wälzschälen variieren die Spanungsbedingungen entlang der Schneide und während des Schnitts. Es entstehen mehrteilig ausgeprägte Späne, die den Prozess immer wieder stören, weil sie an Werk¬stück- und Werkzeugoberflächen anhaften oder zwischen Werkstück und Freifläche geraten. Dadurch kommt es zu Effekten wie Spanklemmern, die zu Oberflächendefekten und Werkzeugverschleiß führen. Erst die Modellierung der Spanbildung unter Einfluss des Kühlschmierstoffs ermöglicht ein Verständnis für die Bildung von Spanklemmern. Dominante Faktoren für die Spanbildung sind die Prozessstellgrößen, sowie die Kühlschmierwirkung zwischen Span und Spanfläche. Die Optimierung der Kühlschmierstoffzufuhr erfolgt in der Praxis iterativ und erfahrungsbasiert. Eine modellbasierte Prozessoptimierung erfordert die Berücksichtigung von Schmierstoffzufuhr und -verteilung, ebenso wie die Abbildung der Einflüsse auf die Reibungsbedingungen zwischen Span und Spanfläche und die Auswirkungen auf die Spanbildung und den Spanabfluss. Der gesamte Prozess ist zu komplex, um ihn in einem einzigen Modell abzubilden. Deswegen soll eine Simulation erstellt werden, in der ein Strömungsmodell mit einem Spanbildungs- und einem Reibmodell gekoppelt ist. Das Ziel der zweiten Förderphase ist es, die erarbeiteten gekoppelten Simulationsmethoden des orthogonal gebundenen Schnitts auf das komplexe Wälzschälsystem unter Verwendung von Druckluft und Ölüberflutung zu übertragen. Es werden die komplexen Mechanismen, welche zu Spanklemmern führen, multiskalig auf den Teilgebieten der Tribologie, Spanbildung sowie Fluidströmung betrachtet. Die Spanbildung wird mittels FEM-Simulation abgebildet. Die Modellierung des Kühlschmierkonzepts erfolgt mittels VOF und SPH Methode. Die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück wird mit molekulardynamischen und quantenchemischen Simulationen unter Berücksichtigung des Kühlschmierstoffs untersucht, die sich auf die Spanbildung und Anhaftung am Werkzeug auswirkt. Im ersten Schritt steht die Übertragung der Simulationsmodelle der einzelnen Teilbereiche auf das Wälzschälen und im Anschluss deren Kopplung für eine ganzheitliche Betrachtung des Prozesses und den komplexen Wechselwirkungen der betrachteten Skalenbereiche. Durch diese simulative Abbildung des Einflusses der unterschiedlich betrachteten Kühlschmierstrategien ist die Grundlage gelegt, die Hauptwirkmechanismen, welche zu Spanklemmern führen, zu beschreiben. In der dritten Phase des Projektes sollen aufbauend auf dem generierten Verständnis für die Entstehung von Spanklemmern geeignete Kühlschmierstrategien unter Bezugnahme der Hauptmechanismen der untersuchten Skalen erarbeitet werden, um in Zukunft die Einstellung einer stabilen, vorteilhaften Spanbildung und damit zu besseren Oberflächen und höheren Werkzeugstandzeiten sicher zu stellen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Michael Gerstenmeyer; Dr.-Ing. Corina Schwitzke