Simulation of Thermomechanically Caused Workpiece Deformations for the NC Milling Process

• Applicants: Professor Dr. Andreas Schröder; Professor Dr.-Ing. Andreas Zabel
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2010 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 179318402

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde eine Software zur Simulation thermomechanisch bedingter Bauteildeformationen für die NC-Fräsbearbeitung entwickelt. Da die bei der NC-Fräsbearbeitung ohne Kühlschmierstoffe ins Werkstück eingetragene Wärme noch vorhanden ist, wenn nachfolgende Schlichtoperationen durchgeführt werden, kann es durch thermomechanische Deformationen zu Form- und Maßabweichungen kommen, die nicht innerhalb geforderter Toleranzen liegen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass der Materialabtrag zu einer sich ständig verändernden Geometrie führt und die in das Bauteil eingebrachte Wärme nicht konstant ist, sondern von der konkreten Eingriffssituation des Werkzeugs abhängt. Die Einbeziehung der sich verändernden Geometrie, der ungleichmäßigen und wechselnden Temperaturfelder sowie der resultierenden sehr komplexen Deformationen zur simulativen Vorhersage des tatsächlichen Materialabtrags stellt eine große Herausforderung dar. In den drei Projektphasen wurden zwei Simulationssysteme miteinander gekoppelt und weiterentwickelt: Eine Prozesssimulation zur Bestimmung der Kinematik der Fräsbearbeitung sowie eine Finite-Elemente-Simulation zur Berechnung der thermomechanischen Deformation des Werkstücks. Zur Bestimmung der Wärmemenge, die ins Bauteil fließt, wird die Form des abgetragenen Materials für jeden Zahneingriff analysiert. Auf diese Weise werden thermische Randbedingungen für die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Verfügung gestellt und damit präzise die Wärmeverteilung und die resultierenden Deformationen berechnet. Diese Deformationen werden wiederum beim nächsten Materialabtragsschritt im Werkstück berücksichtigt. Durch die Kopplung beider Simulationssysteme steht ein Werkzeug zur Verfügung, das für komplexe Fräsprozesse den Wärmeeintrag ins Bauteil, den Materialabtrag, die Ausbreitung der Wärme im Werkstück und die daraus resultierenden thermomechanischen Deformationen berechnet. Die Kopplung der Systeme erlaubt die Simulation der Bearbeitung im deformierten Bauteil und des dadurch veränderten Materialabtrags und Wärmeeintrags. Die durchgeführten Validierungsexperimente, in denen die Werkstücktemperatur durch Thermoelemente und durch Thermographie erfasst wurden, zeigen, dass die Simulation die Wärmeverteilung und auch die thermischen Deformationen gut vorhersagen kann. Die mit der Simulation berechneten Fertigungsfehler stimmen weitgehend mit den gemessenen Fertigungsfehlern aus den Validierungsexperimenten überein. Eine Hauptanwendung des Simulationssystems ist die Optimierung von Fertigungsprozessen unter thermischen Gesichtspunkten. Hierbei stehen die Minimierung z. B. des maximalen oder durchschnittlichen Formoder Maßfehlers oder die Vermeidung von Wärmeeinträgen in das Bauteil im Vordergrund. Die simulative Vorhersage ermöglicht eine Kompensation bereits bei der Prozessplanung.

Publications

• A fictitious domain method for the simulation of thermoelastic deformations in NC-milling processes. Int. J. Numer. Meth. Engng., 113(2):208-229, 2017
  A. Byfut and A. Schröder
  
• Constructive Solid Geometry mit triangulierten Primitiven. 38. Geometrie-Tagung, Strobl, 2017
  C. Haslinger
  
• hp-Adaptive Generalized Finite Element Methods – Applications in Fracture Mechanics and Production Engineering. Dissertation, Universität Salzburg, 2017
  A. Byfut