Modellierung der thermomechanischen Belastungen und des Verschleißverhaltens zur gezielten Optimierung der Gestalt von VHM-Bohrwerkzeugen
Final Report Abstract
Die experimentell ermittelten Ergebnisse spiegeln im Allgemeinen den Erkenntnisstand im Bereich der Schneidkantenpräparation von Zerspanungswerkzeugen wider. Mit einer höheren Verrundung der Schneidkante nimmt die thermomechanische Belastung tendenziell zu. Dennoch ist der Verschleiß der hochverrundeten Schneiden nach Einsatz am geringsten, was auf eine höhere mechanische Stabilität hindeutet. Es ist davon auszugehen, dass sich im Wirkzusammenhang zwischen der gesteigerten Belastung präparierter Schneidkanten und ihrer Verschleißbeständigkeit ein Verrundungsoptimum ergibt. Bezüglich der Spanbildung konnten bei angewandten Analysemethoden keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit der Schneidkantenmikrogestalt festgestellt werden. Diese ist vielmehr in Abhängigkeit der gewählten Schnittwertkombination erkennbar. Im Rahmen der Simulation bestand eine große Herausforderung in der Verknüpfung der Schneidkantenmikrogestalt mit der makroskopischen Modellierung des Bohrwerkzeuges. Die Werkzeugdigitalisierung mit dem Streifenprojektionsgerät TopoCam, einem Prototyp, konnte durch die mosaikartige und ungenaue Zusammenführung von Teilaufnahmen des Werkzeuges und aufgrund des großen Aufwandes in der Aufbereitung der Messdaten nicht zufriedenstellend durchgeführt werden. Aufgrund der notwendigen feinen Auflösung über den gesamten Durchmesser ergeben sich zudem rechenintensive FE-Simulationen, die entsprechende Computerleistungen erfordern. Eine elastisch-plastische Werkstückmodellierung führte in keinem Fall zu einer Konvergenz, sodass ein rein plastisches Materialverhalten angenommen wurde. Außerdem war es, trotz Parallelisierung auf einem Hochleistungsrechner, nicht möglich die thermomechanisch gekoppelten Simulationen für den Werkzeugdurchmesser d = 14 mm durchzuführen, da die Modelle gegenüber den kleineren Werkzeugen erheblich größer sind (Elementanzahl > 700.000). In den durchgeführten Simulationen konnten jedoch stellenweise die gleichen Einflüsse der Schneidkantengestalt wie in den realen Versuchen aufgezeigt werden, wie eine steigende Vorschubkraft mit zunehmender Verrundung. Durch die Verknüpfung der mikroskopischen und makroskopischen Werkzeuggestalt in einem Simulationsmodell konnte die Grundlage für eine umfängliche Prozessabbildung geschaffen werden. Im Vordergrund der Optimierung bleibt die prozessspezifische Auslegung von geometrisch bestimmten Zerspanungswerkzeugen auf einen konkreten Anwendungsfall. Bei Berücksichtigung der Werkzeuggestalt und des zu zerspanenden Werkstoffes birgt die Simulation, insbesondere in der Werkzeugentwicklung, Potenzial zur Einsparung von Ressourcen. So ist hier zum Beispiel die Möglichkeit der Schneidkantenoptimierung in Abhängigkeit der Schnittparameter sowie der thermomechanischen Belastung, auch bei HPC-Bedingungen, zu nennen. Zur effizienten Abbildung von Zerspanungsprozessen und zur ganzheitlichen Prognose des Werkzeugeinflusses sind erweiterte Simulationsansätze notwendig. Die realitätsnahe Prozessabbildung erfordert sowohl eine geometrisch als auch zeitlich adäquate Auflösung von FE-Modellen. Darüber hinaus sind Verfahren zur Ermittlung des Materialverhaltens bei hohen Umformgeschwindigkeiten, wie sie in Zerspanprozessen auftreten, zu erarbeiten bzw. weiterzuentwickeln.
Publications
- Optimierung von Vollhartmetallbohrwerkzeugen durch eine Modellierung der thermomechanischen Belastungen. Forum Schneidwerkzeug- und Schleiftechnik, 25 (2012) 3, S. 78-83
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- Durch Schneidkantenpräparation zu optimierten Zerspanprozessen - Detaillierte Betrachtung der Mikrogestalt der Schneidkante führt zu Erkenntnisgewinn und Verbesserungsansätzen. wt - Werkstattstechnik online, 11/12 (2014)
Biermann, D.; Aßmuth, R.; Heymann, T.; Tiffe, M.
- Experimentelle und simulative Aspekte der Spanbildung beim Bohren austenitschen Stahls mit unterschiedlicher Schneidkantengestalt. Forum Schneidwerkzeug- und Schleiftechnik, 27 (2014) 3, S. 92-95
Biermann, D.; Aßmuth, R.; Tiffe, M.; Wolf, M.
- Modelling of Tool Engagement and FEM-Simulation of Chip Formation for Drilling Processes. Advanced Materials Research, 1018 (2014), S. 183-188
Tiffe, M.; Biermann, D.
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.183) - Modelling of Tool Engagement and FEM-Simulation of Chip Formation for Drilling Processes. WGP Congress 2014 – Progress in Production Engineering, 9.-10.9.2014, Erlangen
Tiffe, M.; Biermann, D.
(See online at https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.183)
