Kopplung experimenteller und numerischer Methoden zur mehrskaligen Analyse der Wirkmechanismen von Kühlschmierstrategien in Zerspanprozessen (KExNuMe-KSS)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Gerhard Poll
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439904924

Der effiziente Einsatz von Kühlschmierstoffen bedarf einem tiefergehenden Verständnis der zugrundeliegenden Wirkmechanismen hinsichtlich Spanabtransport, Kühlung und Beeinflussung der Reibbedingungen. Zudem zeigt eine Reduktion des KSS-Volumenstroms ein hohes Potential zur Energie- und Ressourceneinsparung. Die gezielte Auslegung der KSS-Strategie erfordert jedoch ein Verständnis der grundlegenden Wirkmechanismen, die noch ungeklärt sind. Ein Ansatz zur Auslegung der KSS-Strategie ist die Verwendung von Simulationen. Simulative Ansätze berücksichtigen jedoch tribochemische und thermische Effekte nur bedingt. Dies ist beispielsweise auf fehlende Kenntnisse des Einflusses des KSS auf das Tribobsystem entlang des Schneidkeils zurückzuführen. Infolgedessen existieren keine Simulationsansätze, die zur gezielten Prozessauslegung unter Berücksichtigung einer effizienten KSS-Strategie genutzt werden können. Um derartige Ansätze zu erstellen, wurden in den vorangegangenen Phasen des Schwerpunktprogrammes durch das beantragte Teilprojekt experimentelle und simulative Grundlagen geschaffen. Dies umfasst die Reib- und Schmierbedingungen an der sekundären Scherzone der Spanfläche sowie makroskopische Effekte der KSS-Zufuhr auf Werkzeugbelastung und Spanformung. Für die Auslegung von KSS-Strategien ist jedoch eine Erweiterung dieses Wissens um die thermischen Effekte von Kühlung und Schmierung erforderlich, um insbesondere das Verständnis des Einflusses tribologischer Wirkmechanismen zu vertiefen. Die Originalität des hier beantragten Vorhabens besteht darin, dass numerische Methoden aus dem Bereich der Tribologie um zerspanungspezifische tribochemische Vorgänge unter der Berücksichtigung von KSS erweitert werden. Hauptziel des Vorhabens ist daher das Verständnis der Wirkung von KSS auf das gesamte tribologische System am Schneidkeil und Ableitung einer energieeffizienten KSS-Strategie zur Optimierung von Werkzeugen und Prozessen. Es werden insbesondere der Einfluss der thermischen Belastung und der Relativgeschwindigkeit auf die Tribologie am Schneidkeil erforscht. Zugleich steht eine Erweiterung der Erkenntnisse hinsichtlich der Haftreibung infolge hoher Normalspannungen sowie die Tribologie am Freiflächenkontakt im Fokus. In Verbindung mit tribochemischen Analysen und Analogieuntersuchungen liegt letztendlich ein Simulationsansatz vor, der durch vollständige Modellierung des tribologischen Systems am Schneidkeil eine ergebnisorientierte Fertigungsoptimierung ermöglich. Dieser wird genutzt um eine Effizienzsteigerung durch angepasste KSS-Zufuhrbedingungen zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Christian Pape