Grundlegende Untersuchungen zum Reibungskontakt in der Wirkzone bei der spanenden Bearbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des dargestellten Forschungsprojekts wurden die Reibung in der Spanbildungszone bei der Bearbeitung des Stahlwerkstoffes C45+N mit unbeschichteten Hartmetallwerkzeugen grundlegend untersucht und die Erkenntnisse durch empirische Modellbildung für Finite-Elemente-Spanbildungssimulationen angewendet. Dabei stand die Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Topografien der Hartmetalloberflächen im Fokus der Untersuchungen. Dazu wurden zunächst drei unterschiedliche Varianten von Feinbearbeitung auf die Hartmetallwerkzeuge angewendet: das Polierschleifen, das Nassstrahlspanen und das Mikrofinishen. Die erzeugten Werkzeuge kamen in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten zum Einsatz, in einem tribologischen Äquivalenzversuchsstand zur Reibungscharakterisierung unter zerspanungsähnlichen Bedingungen und in einem Versuchsstand zur Spanbildungsanalyse im Orthogonalschnitt. Im Rahmen der Reibungscharakterisierung wurde der Reibungskoeffizient für die unterschiedlichen Werkzeugoberflächen in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit ermittelt. Dabei zeigten beide Faktoren einen wesentlichen Einfluss auf den Reibungskoeffizienten, was sich durch Analysen der Wirkpartneroberflächen auf Veränderungen der Intensität von Reibungsmechanismen zurückführen ließ. Mithilfe empirischer Modelle wurden diese Erkenntnisse in quantitativer Form für Finite-Elemente- Spanbildungssimulationen genutzt. Durch die Validierung der Simulationsergebnisse mit Messungen der Kräfte und Temperaturen in der Spanbildungszone im Rahmen der Zerspanversuche im Orthogonalschnitt konnte festgestellt werden, dass sich das thermomechanische Belastungskollektiv am Werkzeug und insbesondere die wesentlich durch Reibung bestimmte Passivkraft besser vorhersagen lassen als bei Verwendung eines Reibungsmodells mit konstantem Koeffizienten. Neben der Erzeugung von Validierungsdaten wurden die Zerspanuntersuchungen dazu genutzt, grundlegende Erkenntnisse über die Reibung in der Spanbildungszone zu generieren. Dies basierte auf der Auswertung von Aufnahmen der beteiligten Werkzeugoberflächen mithilfe eines konfokalen Weißlichtmikroskops. Darüber hinaus wurde im Rahmen des Projektes eine innovative Methode zur Messung der Spanflächentemperatur auf Basis einer lokalen und temporären Unterbrechung der Spanbildung entwickelt und erfolgreich eingesetzt, sodass es möglich war, neuartige Erkenntnisse über den Einfluss der Reibung auf die Temperatur in der sekundären Scherzone zu erlangen. Die wissenschaftliche Thematik der Reibungscharakterisierung und -modellierung in der Spanbildungszone wurde in dem Teilprojekt „Voll gekoppelte Fluid-Struktur-Kontakt-Simulationen zum Verständnis der Vorgänge in den Kontaktzonen beim Orthogonalschnitt unter KSS“ des Schwerpunktprogrammes „FluSimPro - Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren" aufgegriffen und dort weiter umfassend behandelt. Im Rahmen des genannten Projektes finden Analysen der Reibung bei variierender Topografie der Werkzeugoberfläche in Interaktion mit einem ölbasierten Zwischenmedium statt. Die Erkenntnisse sollen durch empirische Modelle und durch ein mikro-tribologisches numerisches Modell, basierend auf der Methode der isogeometrischen Analyse in der Spanbildungssimulation, zum Einsatz kommen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019): Experimental Analysis of the Friction Behaviour in Cutting. In: Production at the leading edge of technology - Proceedings of the 9th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Hamburg, S. 297-305
Saelzer, J.; Zabel, A.; Biermann, D.
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(2020): In-situ measurement of rake face temperatures in orthogonal cutting. In: CIRP Annals 69 (1), S. 61–64
Saelzer, J.; Berger, S.; Iovkov, I.; Zabel, A.; Biermann, D.
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(2021): Modelling of the friction in the chip formation zone depending on the rake face topography. In: Wear, 203802
Saelzer, J.; Berger, S.; Iovkov, I.; Zabel, A.; Biermann, D.
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(2021): Spanbildungssimulation mit variierendem Reibungsmodellen. VDI-Z, 163 03, S. 33-35, ISSN 0043-1766
Saelzer, J.; Berger, S.; Zabel, A.; Biermann, D.
