Modellierung der Kühlwirkung beim Werkzeugschleifen unter Berücksichtigung prozessbedingter Unsicherheiten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Benjamin Bergmann; Professor Andreas Rademacher, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439916647

In der Prozesskette zur Herstellung von Vollhartmetallwerkzeugen für die geometrisch bestimmte Zerspanung kommt dem Schleifprozess zentrale Bedeutung zu. Dieser definiert die geometrische Werkstückform, beeinflusst die Substrateigenschaften und verursacht bis zu 60 % der Kosten in der Werkzeugherstellung. Während der Einfluss der Eingriffsbedingungen auf die resultierende Werkstückqualität bereits in zahlreichen Forschungsvorhaben untersucht wurde, sind fluiddynamische Vorgänge des Kühlschmierstoffs in der Kontaktzone und deren Auswirkungen auf die thermische Werkstückbelastung noch weitestgehend unbekannt. Um diese Wissenslücke zu schließen, ist das Ziel des Vorhabens die Erforschung einer multiskaligen Materialabtrag-Fluidsimulation für das Werkzeugschleifen unter Berücksichtigung prozessbedingter Unsicherheiten. Dabei ist bekannt, dass die mikroskopischen (z. B. Schleifscheibentopographie, Eigenschaften des Kühlschmiermittels) und makroskopischen (z. B. Stellgrößen) Einflüsse beim Schleifen die Wirksamkeit der Kühlung und der Schmierung im Prozess erheblich beeinflusst. Ein fundiertes Verständnis über diese Wechselwirkungen im Schleifprozess bildet eine essenzielle Grundlage für eine schädigungsfreie Bearbeitung bei gleichzeitig erhöhter Produktivität. Die zugrundeliegende Hypothese besagt, dass durch die simulative Abbildung der mikro- und makroskopischen Einflüsse effektive Bedingungen wie Oberflächenbenetzung, Wärmeausbreitung und Volumenströme prognostizierbar sind. Durch die Kopplung der verschiedenen Skalen und Simulationsmethoden ist dies zudem mit geringer Rechenintensität möglich, sodass eine simulationsgestützte Analyse kurz vor Prozessbeginn durchgeführt werden kann. Weiterhin wird angenommen, dass die mikroskopischen Prozesse zufälligen und nicht vollständig simulierbaren Schwankungen unterliegen. Diese Unsicherheiten müssen in der Simulation berücksichtigt werden, um eine präzise Abbildung realer Vorgänge zu gewährleisten. Mit dieser Zielsetzung adressiert das Vorhaben Fragestellungen zur Simulation von mehrskaligen Problemstellungen, zur Modellierung des Wärmeübergangs in den Kühlschmierstoff und den entsprechenden Wärmetransport. Darüber hinaus wird die Berücksichtigung von Unsicherheiten in Produktionsprozessen aufgegriffen. Die zu erforschenden Methoden besitzen einen grundlegenden Charakter und können daher in Zusammenarbeit mit anderen Projekten des Schwerpunktprogramms 2231 auf weitere Anwendungsfälle transferiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2231: Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FLUSIMPRO)
• Internationaler Bezug: Schweden
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Alfred Schmidt
• Kooperationspartner: Dr. Michael Eden