SPP 1480:  Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse

In nahezu allen spanenden Fertigungsprozessen werden die herzustellenden Bauteile in erheblichem Maße thermisch beeinflusst. Die bei den Zerspanprozessen im Wesentlichen aus Scher-, Reib- und Trennarbeit resultierende Wärmeenergie fließt über das Werkstück, die entstehenden Späne sowie die eingesetzten Werkzeuge und über den Kühlschmierstoff (KSS) ab. Daneben erzielt der KSS durch seine Schmierwirkung eine Verringerung der Reibungsarbeit. Bei der Trockenbearbeitung und bei Minimalmengenschmierung entfällt diese Temperierung und die Schmierung ist zumindest reduziert.
Im Fertigungsprozess entstehende transiente Wärmefelder und die sich im Bauteil akkumulierende Wärme stellen eine deutliche Beeinträchtigung am Fertigteil hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen dar. Denn zahlreiche trockene oder minimalmengengeschmierte Bearbeitungsoperationen bewirken ein komplexes thermisches Belastungskollektiv, das zu thermisch bedingten Form- und Maßabweichungen des Bauteils führt und sein Verhalten im späteren Gebrauch entscheidend verändert. Aufgrund fehlender Grundlagenerkenntnisse können diese Einflüsse zurzeit in der Praxis nur durch aufwendige Einfahrversuche vermieden werden.
Aus dieser Problemstellung leitet sich als übergeordnete Zielsetzung des Schwerpunktprogramms die Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen auf das Bauteil ab. Das Ziel ist es, die aus dem Prozess resultierenden Fertigungsungenauigkeiten bereits in der Fertigungsplanung durch simulationsgestützte Methoden zu vermeiden bzw. zu kompensieren. Die Simulation beispielsweise nach der Finite-Elemente-Methode ist hierfür ein geeignetes Werkzeug, weil es damit grundsätzlich möglich ist, das thermomechanische Verhalten von Bauteilen durch das Einbringen von thermischen und mechanischen Belastungen zu berechnen.
Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei alle spanenden Fertigungsverfahren, wobei sich die Problemstellungen für die einzelnen Fertigungsverfahren unterschiedlich darstellen. Das betrachtete Bauteilspektrum umfasst dabei sowohl geometrisch komplexe Formen mit homogener Werkstoffmatrix als auch Komponenten mit inhomogenem Materialgefüge, allerdings stets auf Basis einer metallischen Grundmatrix. Diese Zielsetzung soll in drei aufeinander aufbauenden Phasen von jeweils zwei Jahren erreicht werden, in denen die Komplexität der Simulationsmodelle im Verlauf des Schwerpunktprogramms zunimmt.

DFG-Verfahren Schwerpunktprogramme

Internationaler Bezug Österreich

• Entwicklung eines Modells zur Berechnung und Kompensation thermo-elastischer Form- und Maßfehler bei der Trockenbearbeitung (Antragsteller Klocke, Fritz ;  Kneer, Reinhold )
• Experimentell basierte Modellierung, Simulation und Kompensation thermischer Einflüsse beim Drehen mesoheterogener Werkstoffe aus Al-MMC. (Antragsteller Aurich, Jan C. ;  Steinmann, Paul )
• Experimentell basierte Modellierung, Simulation und Kompensation thermischer Einflüsse beim Drehen mesoheterogener Werkstoffe aus Al-MMC (Antragsteller Aurich, Jan C. ;  Steinmann, Paul )
• Experimentelle und FEM-gestützte Analyse der thermischen Werkzeug- und Werkstückbelastung beim Wendeltiefbohren (Antragsteller Biermann, Dirk )
• Kompensationsplanung thermischer Prozesseinflüsse beim Trockenfräsen und Trockenbohren (Antragsteller Büskens, Christof ;  Sölter, Jens )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Biermann, Dirk )
• Kopplung von analytischen und numerischen Modellen zur Simulation thermomechanischer Wechselwirkungen während der Fräsbearbeitung komplexer Werkstücke (Antragsteller Zäh, Michael Friedrich )
• Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen beim Wälzfräsen von Zahnrädern (Antragsteller Halle, Thorsten ;  Karpuschewski, Bernhard )
• Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse (Antragsteller Biermann, Dirk )
• Modellierung und Kompensation thermischer Bearbeitungseinflüsse für das Kurzlochbohren (Antragsteller Eberhard, Peter )
• Modellierung und Simulation der Belastungen beim Innenrundschälschleifen - von mikrothermomechanischen Wirkmechanismen zum Prozessmodell (Antragsteller Biermann, Dirk ;  Menzel, Andreas )
• Numerische Analyse und effiziente Implementierung komplexer FE-Modelle maschineller Fertigungsprozesse am Beispiel des Tiefbohrens (Antragsteller Blum, Heribert )
• Simulation thermomechanisch bedingter Bauteildeformationen für die NC-Fräsbearbeitung (Antragsteller Schröder, Andreas ;  Zabel, Andreas )
• Thermomechanische Simulation des Hartdrehens mit makroskopischen Modellen und Phasenfeldmodellen (Antragsteller Mahnken, Rolf ;  Uhlmann, Eckart )
• Thermomechanische Verformung komplexer Werkstücke durch Bohr- und Fräsprozesse (Antragsteller Denkena, Berend ;  Maaß, Peter )
• Untersuchung des Wärmeeintrags beim Kurzlochbohren sowie der daraus resultierenden Beeinflussung der Bohrungswand am Beispiel von 42CrMo4 (Antragsteller Schulze, Volker )

Sprecher Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann

Beteiligte Personen Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele; Professor Dr. Carsten Carstensen; Professor Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel; Professor Dr.-Ing. Knut Großmann (†); Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister; Professor Dr. Ulrich Maas; Professor Dr. Peter Maaß; Professor Dr.-Ing. Rolf Mahnken; Professor Dr.-Ing. Andreas Menzel; Professor Dr. Andreas Schröder; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze; Professor Dr.-Ing. Paul Steinmann; Dr.-Ing. Jens Sölter; Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann; Professor Dr.-Ing. Andreas Zabel; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh