Effiziente Modellierung der Spanbildung im orthogonalen Schnitt durch Verwendung isogeometrischer Analyse und moderner Methoden der Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die Simulation des Spanbildungsvorgangs von spanenden Fertigungsverfahren kommen häufig numerische Methoden zum Einsatz [Arr13]. Ein wesentlicher Vorteil der numerischen Methoden (insb. Finite-Elemente-Methode) ist die Möglichkeit der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Zustandsgrößen bei der Spanbildung, wie etwa von Spannungen und Dehnungen im Werkstoff sowie der resultierenden Kräfte . Darüber hinaus können auch die Spänemorphologie sowie praxisrelevante Größen wie z. B. Werkzeugverschleiß oder Spanbruch simuliert werden. Bis heute besteht bei den numerischen Modellen ein großer Bedarf, die Vorhersagegüte zu verbessern. Bislang beschäftigten sich nur wenige Arbeiten tatsächlich mit der Numerik der Modelle bzw. mit den Einflüssen der Vernetzung sowie der Randformulierung, welche die Vorhersagegüte von Spanbildungssimulationen grundsätzlich in erheblichem Umfang bestimmen. Dadurch motiviert, wurde im Rahmen des vorliegenden Projektes untersucht, inwiefern sich neuartige numerische Methoden wie das Raumzeit-Finite-Elemente-Verfahren sowie die Isogeometrische Analyse dazu verwenden lassen, die Vorhersagegüte von Spanbildungssimulationen im orthogonalen Schnitt zu verbessern. Am Institut für computergestützte Analyse technischer Systeme wurde eine randkonforme Eulersche Methode mit Raum-Zeit Finiten Elementen für die Strukturanalyse elastischer Materialien entwickelt, implementiert und getestet. Dieser Ansatz bietet eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung der Verschiebungen und besserer Stabilität im Sinne der Vermeidung von Locking-Effekten, allerdings ist der Rechenaufwand im Vergleich zu einem klassischen Ansatz höher. Nach einem Wechsel der Entwicklungsumgebung wurde schließlich ein plastisches Materialmodell unter Verwendung des Johnson-Cook-Fließspannungsmodells in Kombination mit der Isogeometrischen Analyse implementiert und mit den vom ISF bereitgestellten Daten validiert. Eine Kontaktformulierung mit starren B-Splines erweiterte diese Implementierung. Hier finden derzeit Weiterentwicklungen statt, um auch die Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu berücksichtigen. Am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund wurden in enger Zusammenarbeit mit dem CATS Eingangs-, Validierungsund Vergleichsdaten nach aktuellem wissenschaftlichen Stand ermittelt. Es erfolgte zunächst eine Charakterisierung des Fließspannungsverhaltens der Werkstoffe sowie des Reibungsverhaltens zwischen den Werkstoffen und den verwendeten Hartmetallwerkzeugen als Eingangsdaten für die Simulationen. Im Folgenden fanden Spanbildungsversuche statt, um das thermomechanische Belastungskollektiv der Spanbildungszone sowie die Spanmorphologie in Abhängigkeit von Werkstoff und Schnittwerten für die Simulationsvalidierung zu bestimmen. Abschließend dienten Vergleichssimulationen in verschiedenen kommerziellen Systemen sowohl im Orthogonalschnitt, als auch für Testfälle wie den einachsigen Kompressionsversuch, der weitergehenden Validierung der neuen numerischen Methoden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Comprehensive Comparison of Different Meshing Approaches for FE-based Chip Formation Simulation for 1045 Steel. EUROMAT 2019 C9 Symposium, 03.09.2019, Stockholm, Schweden
Rödder, T.; Saelzer, J.; Tiffe, M. & Zabel, A.
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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), 30.9.-2.10. 2019, Hamburg, Hrsg.: Wulfsberg, J. P.; Hintze, W.; Behrens, B.-A., Springer Vieweg
Saelzer, J.; Zabel, A.; Biermann & D.
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Temperaturmessung an Span und Werkzeug. Industrial Quality - Testen, Prüfen, Messen, Sonderausgabe, Kuhn Fachverlag, Villingen-Schwenningen, S. 9-10, ISSN 2190-3107
Berger, S.; Saelzer, J.; Zabel, A. & Biermann, D.
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Computing the jump-term in space-time FEM for arbitrary temporal interpolation. Proceedings of the YIC 2021 - VI ECCOMAS Young Investigators Conference. Editorial Universitat Politècnica de València.
Salzmann, Eugen; Zwickey, Florian & Elgeti, Stefanie
