Application of tool wear simulation in cutting tool development
Final Report Abstract
Im Rahmen des Transferprojektes „Anwendung der Verschleißsimulation in der Werkzeugentwicklung“ wurde, aufbauend auf dem DFG-Projekt „Simulation von Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide“, die Verschleißsimulation auf komplexe Wekzeugmikro- und -makrogeometrien sowie beschichtete Schneidplatten erweitert. Dies diente dem Ziel, die Verschleißsimulation auf industriell relevante Zerspanwerkzeuge zu übertragen. Die Anpassungen zur Erweiterung der Verschleißsimulation auf komplexe Geometrien und beschichtete Werkzeuge wurden vornehmlich in der Verschleißsubroutine vorgenommen, welche die implementierten Methoden zur Erweiterung des Funktionsumfanges der kommerziellen Software Deform enthält. Die Subroutine wurde erweitert, sodass die Simulation beliebiger ISO-Werkzeuggeometrien für die Außenlängsdrehbearbeitung ermöglicht wurde. Weiterhin können beliebige Schneidkantenverrundungen in der Simulation berücksichtigt werden. Zur Berücksichtigung von Beschichtungen im Rahmen der Verschleißsimulation wurden die Verschleißschutzschichten als eigenständige Lage an Elementen mit eigenen thermophysikalischen Stoffdaten sowie separaten Parametern für Verschleiß- und Reibmodell auf der Werkzeugdomäne modelliert. Unter Verwendung eines geometrischen Kriteriums wurde der Schichtverschleiß bei sukzessive fortschreitendem Verschleiß simuliert, indem finite Elemente nach simuliertem Schichtdurchbruch dem Substrat zugeordnet wurden. Auf diese Weise konnten Beschichtungen in der Simulation berücksichtigt werden. Nachteilig bei der Knotenverschiebung im Kontext der Beschichtungen ist, dass die Beschichtungen mit geringen Schichtdicken zu sehr kleinen Elementkantenlängen führen, welche wiederum zu numerischen Problemen infolge von Elementinvertierungen führen können. Die Auswirkungen dieser Problematik wurden durch eine neu entwickelte Methode zur Gewährleistung der Netzqualität reduziert, können aber bei sehr geringen Schichtdicken nach aktuellem Stand nicht vollständig vermieden werden. Das Usui-Verschleißratenmodell wurde in einem hybriden Vorgehen für verschiedene Kombinationen aus Werkstoff und Schneidstoff kalibriert und die Verschleißsimulationen validiert. An der Freifläche zeigte sich durchweg eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment. An der Spanfläche zeigte sich für unbeschichtete CNMA-Schneidplatten eine Unterschätzung des Kolkmittenabstandes infolge einer unterschätzten Kontaktlänge in der Spanbildungssimulation. Dies wurde auf die komplexen Reibverhältnisse an der Spanfläche zurückgeführt und ist in zukünftigen Vorhaben näher zu untersuchen. In einer Fallstudie wurde nachgewiesen, dass die Verschleißsimulation, neben der Abbildung der Prozessparameter, auch den Einfluss geometrischer Designparameter auf den Verschleiß abbilden kann. Dazu wurde die Schneidkantenverrundung sowie der Freiwinkel der Werkzeuge in Experiment und Simulation variiert. Durch die Erweiterungen der Verschleißsubroutine können nun reale Werkzeuge für die Außenlängsdrehbearbeitung in der Verschleißsimulation verwendet werden. Weiterer Forschungsbedarf wurde im Kontext der Verschleißsimulation identifiziert: 1) Trotz stetigen Fortschrittes besteht hinsichtlich der numerischen Spanbildungssimulation nach wie vor Bedarf, um sowohl die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse als auch die Rechenzeit zu verbessern. 2) Das verwendete Usui-Verschleißratenmodell stellt eine starke Vereinfachung dar. Die Herleitung neuer Modelle auf Basis der maßgeblichen Verschleißmechanismen könnte sowohl das Verständnis für auftretenden Verschleiß im Allgemeinen als auch die Genauigkeit und den Anwendungsbereich der Verschleißsimulation verbessern. 3) Die Verschleißsimulation ermöglicht die Simulation der Wechselwirkungen zwischen Verschleiß und Zerspanprozess, bspw. die Einbringung zusätzlicher Wärme in die Werkstückrandzone oder die Veränderung des Spanablaufes. Die Kopplung der Verschleißsimulation mit anderen Simulationen (z.B. Spanbruch oder Randzone) hätte ein großes Potenzial die Berechnungsgenauigkeit zu steigern.
Publications
- Wear simulation of multilayer coated cutting tool. In: Proceedings of the 12th International Conference THE ‘A’ Coatings, Hannover, ISBN 978 3 95900 072 7
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- FEM-based Three Dimensional Modelling and Simulation of Cutting Tool Wear in Turning Operations. In: Special Interest Seminar on Simulation and Modelling in Hard Metal, EURO PM 2014 Congress, Salzburg (21.-24.9.2014)
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.01.015) - Verschleißsimulation beschichteter Zerspanwerkzeuge in 3D. In: Deform Anwendertreffen, Sindelfingen 7.-8.5.2015
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.01.065) - Implementation of Tool Wear Simulation for Tool and Process Design in Metal Cutting. In: Simulation Modelling Practice and Theory, Vol. 70 (2017), pp. 65-82
Binder, M.; Klocke, F.; Doebbeler, B.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.simpat.2016.09.001)
