Compensation of Shape and Dimensional Deviations Due to Thermo-Elastic Deformation During Dry Machining
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens bestand darin, eine wissenschaftlich fundierte und strukturierte Analyse der thermoelastischen Deformationen bei der Trockenbearbeitung durchzuführen. Dabei lag der Fokus auf der Kompensation dieser Deformationen anhand eines realen Anwendungsfalls, um diese Erkenntnisse erfolgreich in die industrielle Praxis zu übertragen. Um die thermoelastischen Deformationen zu kompensieren, wurden verschiedene Ansätze zur Analyse der Wärmebilanz und des Wärmeeintrags entwickelt. Dabei wurden Mehrskalenmodelle verwendet, die unterschiedliche zeitliche und räumliche Modellskalen nutzen, um den Prozess in verschiedenen Detaillierungsgraden abzubilden. Durch diese Modelle konnten die Wärmebilanz und die thermisch bedingten Verformungen prognostiziert werden. Die Validierung dieser Modelle erfolgte durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. Zusammenfassend wurden die folgenden Projektziele erreicht: • Kalibrierung eines Reibmodells für die Kontaktpartner X30CrMoN-15-1 als Werkstückmaterial und den Schneidstoff CBN. Das Plastizitätsmodell für X30CrMoN-15-1 nach Johnson-Cook wurde abgeleitet. Das Materialmodell wurde erfolgreich durch die Particle- Swarm-Optimization im mesoskopischen Spanbildungsmodell kalibriert. Basierend auf dem Modell konnten, die Wärmeaufteilung in Werkstück, Span und Werkzeug berechnet werden, • das Makromodell wurde erfolgreich entwickelt, um die thermoelastischen Deformationen auf Basis der im mesoskopischen Modell berechneten Wärmeströme zu berechnen, • Sowohl die simulierten Temperaturfelder am Werkstück als auch die resultierenden Maßund Formfehler des Werkstücks wurden erfolgreich bei der Trockenbearbeitung von X30CrMoN-15-1 mit Hilfe der Thermografiekamera validiert, • Kompensationsstrategien zur Reduzierung thermo-elastischer Deformationen bei der Trockenbearbeitung konnten auf Basis von Simulationen abgeleitet werden. Die entsprechende Kompensationsstrategie stellte die Erhöhung der Zustellung in Bereichen großer Maßabweichungen dar. Die Formabweichungen von mehr als 10 µm konnten erfolgreich reduziert werden. Insgesamt konnte das Forschungsvorhaben zeigen, dass eine Kompensation der thermoelastischen Deformationen bei der Trockenbearbeitung sogar bei niedrigen Schnitttiefen möglich ist. Weitere Untersuchungen sind jedoch erforderlich, um auch kleinere Abweichungen unter 10 µm erfolgreich zu kompensieren. Das Projekt lieferte wichtige Erkenntnisse und bildete die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet.
Publications
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Three Dimensional Numerical Modeling of Face Turning Using the Coupled-Eulerian-Lagrangian Formulation. Procedia CIRP, 102, 162-167.
Hardt, M. & Bergs, T.
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Experimental and Simulative Investigation of Thermomechanical Loads in the Cutting Zone by Machining X30CrMoN-15-1 Steel with CBN tools. Procedia CIRP, 118, 489-494.
Kibireva, Anna; Meurer, Markus; Schraknepper, Daniel & Bergs, Thomas
