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Projekt
Experimentell basierte Modellierung, Simulation und Kompensation thermischer Einflüsse beim Drehen mesoheterogener Werkstoffe aus Al-MMC
Fachliche Zuordnung
Spanende und abtragende Fertigungstechnik
Mechanik
Mechanik
Förderung
Förderung von 2014 bis 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260779103
Aluminium-Metal-Matrix-Composites (Al-MMC) zählen zu einer Gruppe komplexer zweiphasiger Hochleistungswerkstoffe, für die zukünftig stark ansteigende Verwendung prognostiziert wird. Um unerwünschte prozessbedingte Wärmedehnungen des Werkstücks und des Werkzeugs, welche die Fertigungsgenauigkeit negativ beeinflussen, während der Zerspanung zu quantifizieren und zu kompensieren sind gegenwärtig zeit- und materialintensive experimentelle Untersuchungen notwendig. Insbesondere für Al-MMC ist die Reduzierung experimenteller Untersuchungen aufgrund deren hoher Herstellkosten von besonderer Relevanz. Aufbauend auf den in der ersten und zweiten Projektphase entwickelten Simulationsmodellen zur Beschreibung thermischer Effekte in Werkstücken aus Aluminium und Al-MMC werden in der dritten Projektphase thermische Effekte während des Drehens komplexer Werkstückgeometrien kompensiert. Die inhomogene Mesoebene der Al-MMC wurde in einer Materialmodellierung abgebildet, um Materialeigenschaften identifizieren zu können, die in den beiden Prozessmodellen der lokalen Spanbildung und der globalen Betrachtung des Werkstücks benötigt werden. Bei der Simulation der Spanbildung werden der Wärmefluss in Werkstück und Werkzeug und die Zerspankräfte bestimmt. Im globalen Modell des Werkstücks und des Werkzeugs dienen diese Ergebnisse als Randbedingung, um die Temperaturverteilung, die assoziierte Wärmedehnung und die elasto-mechanische Deformation zu berechnen. In der dritten Projektphase sollen mit diesen Finite-Elemente-Modellen Kompensationsstrategien erarbeitet und experimentell umgesetzt werden. Eine erste grundlegende Reduzierung thermischer Effekte soll durch eine simulationsgestützte Festlegung von Prozessparametern und Fertigungsschrittfolgen erzielt werden. Der Betrag der in das Werkstück eingebrachten Wärmemenge hängt von den verwendeten Prozessparametern ab und beeinflusst signifikant die Fertigungsgenauigkeit. Als zweites wird die verbleibende, thermisch bedingte Maßabweichung durch eine ortsabhängige adaptive Schnitttiefe kompensiert. Um neben geringen Gestaltabweichungen auch hohe, für die technische Anwendung der Werkstücke geforderte Oberflächenqualitäten gewährleisten zu können, werden bei beiden Kompensationsstrategien auch kombinierte Schrupp- und Schlichtbearbeitungen betrachtet. Zur experimentellen Umsetzung der simulativ bestimmten Kompensationsstrategien werden mit einer CAD-CAM Kopplung Daten für Werkzeugbahnen erzeugt, welche um die Wärmedehnung und elasto-mechanische Deformation kompensiert sind. Potentielle Differenzen zwischen der berechneten und der realen Fertigungsgenauigkeit werden durch den Vergleich experimenteller und simulativer Prozess- und Prozessergebnisgrößen analysiert. Als Ergebnis stehen erstmalig experimentell verifizierte Simulationsmodelle zur Verfügung, welche zur Prozessauslegung beim Drehen von Aluminium und Al-MMC eingesetzt werden können. Die Fertigungsgenauigkeit kann hierdurch signifikant gesteigert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
