Entwicklung eines simulativen Modells zur Einflussanalyse des Kühlschmierstoffes beim Wendeltiefbohren mit kleinen Durchmessern unter Berücksichtigung der Spanbildung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317373968

Im vorangegangenen DFG-Vorhaben wurde ein Fluid-Struktur-Interaktion-Simulationsmodell (FSI) zur Einflussanalyse des Kühlschmierstoffs (KSS) beim Wendeltiefbohren entwickelt. In diesem Projekt ist es gelungen, die Interaktion zwischen Werkzeug, Werkstück und der Spanbildung durch eine Kopplung der Finite-Elemente- (FE) und Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Simulation abzubilden. Anstelle von Wasser wurde für die CFD-Simulation erstmals Öl mit einer definierten kinematischen Mittelpunktviskosität eingesetzt. Die Temperaturveränderungen, die beim Zerspanprozess in Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Werkstoffen und der Bearbeitungszeit auftreten, bleiben bei der numerischen Simulation des KSS für die Viskosität des Öls bislang jedoch unberücksichtigt. Für eine sinnvolle Nutzung des FSI-Simulationsmodells zur zielgerichteten Optimierung von Werkzeugen und Prozessen ist es erforderlich, die von Temperatur und Druck stark abhängigen viskosen KSS-Eigenschaften detailliert zu berücksichtigen. Im Fokus dieses Folgeantrags steht daher die Zielsetzung, das vorhandene FSI-Simulationsmodell entsprechend zu erweitern, um die sich durch Druck- und Temperaturänderungen im Zerspanprozess verändernden KSS-Eigenschaften mit einzubeziehen. In den Modellgleichungen müssen die dynamischen KSS-Eigenschaften beschrieben und in das FSI-Simulationsmodell implementiert werden. Statistisch abgesicherte Bohrversuche mit Wendeltiefbohrern verschiedener Durchmesser in den Werkstoff Ti-6Al-4V liefern die Eingangsdaten für die Simulation. Nachdem simulativ die Werkzeugtemperatur für die Schnittparameterkombinationen aus Vorschub und Schnittgeschwindigkeit bestimmt wurde, erfolgt die numerische Berechnung der Fluidströmung bei unterschiedlichen KSS-Drücken. Das Ziel ist die Maximierung der KSS-Strömungsgeschwindigkeit und des KSS-Strömungsdrucks, um so eine verbesserte KSS-Versorgung im Bereich der Schneidkante zu gewährleisten. Mit den simulativ ermittelten Parameterkombinationen erfolgen Standzeitversuche zur Ermittlung des Einflusses der optimierten KSS-Versorgung auf den Werkzeugverschleiß.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen