Entwicklung eines kombinierten Simulationsmodells zur Vorhersage prozess- und maschinenbedingter Oberflächenabweichungen beim Räumen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um die Wechselwirkung zwischen Maschine und Prozess am Beispiel des Räumens zu untersuchen. Hierzu fand die in der ersten Förderperiode entwickelte Methode für die Simulation des Innenräumprozesses Verwendung. Das Maschinenmodell wurde an die neuen Bedingungen der Innenräumvorrichtung angepasst und mithilfe Modal- und Betriebsschwingungsanalysen validiert. Das analytische Modell zur Beschreibung der Prozesskräfte konnte weiterverwendet werden. In der ersten Förderphase wurden die damit berechneten spezifischen Kräfte auf die Spanungsdicke und Spanbreite bezogen. Beim Innenräumen war der Bezug der spezifischen Prozesskräfte auf den Spanungsquerschnitt notwendig, was die Implementierung des Prozessmodells in ABAQUS erschwerte. Im Einzelnen wurden folgende Modelle erstellt bzw. an die Aufgabenstellung angepasst: 2D-FE-Spanbildungssimulationsmodell für C45 im normalisierten Zustand; 2D-FE-Spanbildungssimulationsmodell mit adaptiver Neuvernetzung; 3D-FE-Spanbildungssimulationsmodell mit adaptiver Neuvernetzung; 3D-Modell für die Nachbildung des Maschinenverhaltens beim Außenräumen und Innenräumen; Analytisches Modell für die Vorhersage der Prozesskräfte; Gekoppeltes Modell für die Vorhersage prozess- und maschinenbedingter Oberflächenabweichungen beim Außenräumen und Innenräumen. Folgende systematische Zerspanungsuntersuchungen wurden experimentell durchgeführt: Räumversuche unter Variation der Spanungsdicke und Schnittgeschwindigkeit; Räumversuche im freien, orthogonalen und gebundenen Schnitt. In der ersten Förderperiode konnte das 2D-Spanbildungsmodell für die detaillierte Modellierung des Schwingungsverhaltens beim Räumen erfolgreich mit zusätzlichen Bewegungen der Schneide erweitert werden. Hierzu wurden Schwingungen im Prozess mit Frequenzen von 1 und 2,5 kHz simuliert. Die Ergebnisse fanden bei der Validierung des analytischen Kraftmodells Verwendung. Hinzu wurde ein 3D-FE-Spanbildungsmodell mit adaptiver Neuvernetzung entwickelt. Gegenüber dem Stand der Technik konnten wichtige Erkenntnisse über die Spanbildung mit der neuartigen Neuvernetzungsmethode gesammelt werden. Basierend auf den Ergebnissen der durchgeführten Spanbildungssimulation wurde ein analytisches Modell für die Berechnung der Prozesskräfte in Abhängigkeit von Schnittgeschwindigkeit, Spanungsdicke und Spanwinkel in das Innenräummodell implementiert. Hierfür wurden die mechanischen Eigenschaften der Maschinenstruktur durch Massenpunkte und Feder-Dämpfer-Elemente abgebildet. Das Werkzeug und die Führungen wurden als elastische Körper realisiert, was eine gewisse Nachgiebigkeit erlaubt. Das entwickelte Simulationsmodell leistet zunächst einen wesentlichen Beitrag bei der Auslegung und Konzeption von Räummaschinen, indem die Oberflächenqualität des zu bearbeiteten Werkstücks vorhergesagt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical investigation of the changing cutting force caused by the effects of process machine interaction while broaching. 3rd CIRP Conference on Process-Machine-Interaction 2012, 29.10.2012-31.10.2012, Nagoya, Japan, Procedia CIRP 4, S. 139-144
Schulze, V.; Boev, N.; Zanger, F.
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Simulation of metal cutting process with variable cutting thickness during broaching. 5th CIRP Conference on High Performance Cutting 2012, 04.06.2012 - 06.06.2012, Zürich, Schweiz, Procedia CIRP 1, S. 454-459
Schulze, V.; Boev, N.; Zanger, F.
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Numerical Investigations on Changes of the Main Shear Plane while Broaching. 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations 2013, 13.06.2013-14.06.2013, Turin, Italy, Procedia CIRP 8, S. 246-251
Schulze, V.; Zanger, F.; Boev, N.
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Simulation Approach for the Prediction of Surface Deviations Caused by Process-Machine-Interaction during Broaching. 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations 2013, 13.06.2013-14.06.2013, Turin, Italy, Procedia CIRP 8, S. 252-257
Schulze, V.; Zanger, F.; Krauße, M.; Boev, N.
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Surface quality after broaching with variable cutting thickness. 2nd CIRP Conference on Surface Integrity 2014, 28.05.2014 - 30.05.2014, Nottingham, United Kingdom, Procedia CIRP 13, S. 114-119
Zanger, F.; Boev, N.; Schulze, V.
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Novel approach for 3D Simulation of a Cutting Process with Adaptive Remeshing Technique. 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations 2015, 11.06.2015 - 12.06.2015, Karlsruhe, Germany, Procedia CIRP 31, S. 88-93
Zanger, F.; Boev, N.; Schulze, V.
