Kopplung von analytischen und numerischen Modellen zur Simulation thermomechanischer Wechselwirkungen während der Fräsbearbeitung komplexer Werkstücke
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Wettbewerb auf dem internationalen Markt zwingt Hersteller von spanend gefertigten Bauteilen, ihre Prozesse konsequent hinsichtlich Fertigungsqualität und Kosten zu optimieren. Dies kann unter anderem durch den Einsatz moderner Simulationsmethoden erreicht werden. Um eine verlässliche Prognose von Fertigungsfehlern mit Hilfe einer Prozesssimulation zu ermöglichen, ist unter anderem eine korrekte Modellierung der thermomechanischen Effekte notwendig. Mit dem ökologisch und ökonomisch begründeten Wunsch, den Einsatz von Kühlschmierstoffen zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden, kommt der thermischen Komponente dabei eine immer größer werdende Bedeutung zu. Gerade die Modellierung thermischer Effekte stellt allerdings nach wie vor eine große Herausforderung dar. Eine hochdetaillierte numerische Modellierung der Prozesszone ist aufgrund der hohen Rechenzeitanforderungen nur im Bereich eines Spanabhubes möglich. Für globale Ansätze muss häufig auf analytische oder empirische Prozessmodelle zurückgegriffen werden. Diese bringen wiederum Probleme, wie beispielweise unzureichende Prognosefähigkeit oder hohe experimentelle Versuchsaufwände zur Modellparametrierung, mit sich. Um dieses Defizit zu beheben, wurde das Schwerpunktprogramm SPP1480 „Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen für komplexe Zerspanprozesse“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Dabei wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München im Teilprojekt „Kopplung von analytischen und numerischen Modellen zur Simulation thermomechanischer Wechselwirkungen während der Fräsbearbeitung komplexer Werkstücke“ ein Modellierungsansatz entwickelt, mit Hilfe dessen der Umfangsfräsprozess mit Schaftfräsern zeitlich hochaufgelöst simuliert werden kann. Dazu wurden umfangreiche Prozessuntersuchungen zum Aufbau eines allgemeinen Prozessverständnisses durchgeführt. Für die Entwicklung des Simulationsmodells wurden ein empirisches Prozesswärmemodell sowie ein analytisches Zerspankraftmodell mit einem Finite-Elemente-basierten Modell der Werkstückstruktur gekoppelt. Dadurch war es möglich, die Effekte in der Prozesszone detailgetreu zu simulieren und dabei vertretbare Rechenzeiten einzuhalten. Das dafür entwickelte Prozesswärmemodell basiert auf einem sogenannten inversen Wärmeausdehnungsproblem und wird mit Hilfe von Messungen der Bauteilverformung während des Prozesses parametriert. Aufwendige und fehleranfällige Temperaturmessungen können somit durch wesentlich prozesssicherer durchführbare Verformungsmessungen ersetzt werden. Des Weiteren wurden Maßnahmen zur Reduktion prozessinduzierter Verformungen speziell bei dünnwandigen Strukturen abgeleitet und erfolgreich an Testbauteilen umgesetzt. Das im Rahmen des SPP1480 entwickelte Prozesswärmemodell lässt sich problemlos auf andere Finite-Elemente-Modelle übertragen. Dies bietet zukünftig die Möglichkeit reduzierter und rechenzeitoptimierter Ansätze zur simulativen Ermittlung von Kompensationsstrategien. Außerdem konnten allgemeingültige Maßnahmen zur Reduktion prozessinduzierter Verformungen bei der Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile abgeleitet werden, die unabhängig von numerischen Methoden im industriellen Umfeld eingesetzt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fräsbearbeitung dünnwandiger Werkstücke. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 107 (2012) 7-8, S. 528 – 532
Löhe, J.; Zäh, M. F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/104.110800) - In-Process Deformation Measurement of thin-walled Workpieces. Procedia CIRP 1 (2012), S. 546 – 551
Loehe, J.; Zaeh, M. F.; Roesch, O.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.04.097) - Simulation thermomechanischer Wechselwirkungen. iwb Newsletter (2012) 3, S. 3 – 4
Löhe, J.
- A New Approach to Build a Heat Flux Model of Milling Processes. Procedia CIRP 24 (2014), S. 7 – 12
Loehe, J.; Zaeh, M. F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.08.003) - An experimental study on the deformation behavior of thin-walled workpieces. UMTIK 17th International Conference on Machine Design and Production, Bursa, July 12 – 15, 2016 (2016)
Loehe, J.; Wimmer, S.; Hairer, M.; Zaeh, M. F.
- Formabweichungen bei dünnwandigen Strukturen. iwb Newsletter (2016) 2, S. 13 – 14
Wimmer, S.
- Fräsbearbeitung dünnwandiger Strukturen. Werkstattstechnik online 107 (2016) 10, S. 770 – 774
Wimmer, S.; Zäh, M. F.
- Prediction of surface error characteristics in peripheral milling of thin-walled structures. VMPT 6th International Conference on Virtual Machining Process Technology, Montréal, May 29 - June 2, 2017 (2017)
Wimmer, S.; Zaeh, M. F.
- Thermal Effects in Complex Machining Processes. Final Report of the DFG Priority Programme 1480: Springer Verlag 2017. ISBN: 978-3-319-57119-5
Biermann, D.; Hollmann, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-57120-1)
