Entwicklung eines Multiphysikmodells zur Analyse der thermo-mechanischen Kühlschmierstoffwirkungen im Drehprozess

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403801854

Das Ziel der Phase 2 besteht darin, die in der ersten Phase für den Orthogonalschnitt entwickelten Modelle und Erkenntnisse auf den Drehprozess zu übertragen. Dies soll ein tieferes Verständnis der thermodynamischen Wirkungen von Kühlschmierstoffen ermöglichen und die Optimierung von Kühlschmierstoffstrategien in Bezug auf Düsengeometrie, Positionierung und Strömungsführung effizient gestalten, ohne aufwändige empirische Untersuchungen durchzuführen. Die Zielerreichung erfolgt durch die Erweiterung der numerischen Prozesssimulation aus Phase 1. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht neben der Umsetzung der gekoppelten Simulation verschiedener 3D-Modelle vor allem in den Anforderungen an die Vernetzung der Geometrie und den Modellaufbau. Eine umfassende Modellanalyse, einschließlich der Vereinfachung der Turbulenz, wird durchgeführt, um optimale Modelleinstellungen für die Simulation der Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr zu ermitteln. Ein weiterer Projektschritt ist die Entwicklung eines Multiskalen-Ansatzes für den Drehprozess auf Grundlage des Orthogonalschnitts. Dieser Ansatz ermöglicht eine recheneffiziente und benutzerfreundliche Analyse der Kühlschmierstoffwirkung auf das Drehwerkzeug. Der Spanungsquerschnitt wird dabei in Segmente unterteilt und der Spanbildung eines Orthogonalschnitts angenähert. Die Wirkung des Kühlschmierstoffs auf das Drehwerkzeug wird durch die Integration der unterteilten Schnitte ermittelt. Der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn des Projekts liegt in einem tieferen Verständnis der Wirkungsmechanismen von Kühlschmierstoffen während des Drehprozesses. Der entwickelte Simulationsansatz ermöglicht es erstmals, die thermo-mechanische Werkzeugbelastung für komplexe Prozesse unter Berücksichtigung des Kühlschmierstoffs zu analysieren. Diese Erkenntnisse bieten eine theoretische Grundlage für die Auslegung der Kühlschmierstoffzufuhr und der Werkzeuggeometrie. Zudem schafft die Entwicklung von Multiskalenmethoden für die Kühlschmierstoffsimulation die wissenschaftliche Grundlage, um aus einfachen orthogonalen Schnitten die Ergebnisse komplexer Zerspanprozesse zu extrapolieren. Diese Modellvereinfachung könnte zukünftig auch für andere Prozesse wie das Fräsen genutzt werden. Mit dem entwickelten Modellansatz kann die Kühlschmierstoffwirkung auf den Spanbildungsprozess und das transiente Temperaturfeld im Werkzeug für definierte Prozessparameter vorhergesagt werden. Dies ist grundlegend für die Bestimmung der Grenzwerte der Prozessparameter. Zudem kann die Wirkung von Zufuhrparametern des Kühlschmierstoffs auf Prozesszustandsgrößen simuliert werden, was eine gezielte Anpassung der Kühlschmierstoffstrategie ohne zeitaufwändige empirische Untersuchungen ermöglicht. Dadurch werden Werkzeugverschleiß und thermo-mechanische Belastung der Bauteile reduziert, Entwicklungskosten gesenkt und die Leistungsfähigkeit des Prozesses maximiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen