Voll gekoppelte Fluid-Struktur-Kontakt-Simulationen zum Verständnis der Vorgänge in den Kontaktzonen beim Orthogonalschnitt unter KSS

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Stefanie Elgeti; Professor Dr.-Ing. Andreas Zabel
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439919057

Bei der spanenden Fertigung industrieller Erzeugnisse findet sich ein großes Nachhaltigkeitspotenzial in der Reduzierung des Verbrauchs von Kühlschmierstoffen (KSS), die Schäden an Umwelt und Gesundheit sowie hohe Kosten verursachen. Um trotz einer Reduzierung der KSS-Mengen eine hohe Produktivität zu erzielen und die geforderte Bauteilqualität zu gewährleisten, ist der KSS-Einsatz zukünftig zielgerichteter zu gestalten. Besonders in der Ausnutzung der tribologischen Wirkung von KSS liegt dabei ein großes Potenzial. Um dies in der spanenden Fertigung nutzen zu können, ist es erforderlich, die dahinterliegenden Wirkmechanismen im Detail zu verstehen und in digitalen Werkzeugen für die Prozess- und Werkzeugentwicklung und deren Optimierung zu implementieren. Im Rahmen des beantragten Fortsetzungsprojekts innerhalb des SPP 2231 finden dazu Entwicklungen zur Verbesserung der Reibungsmodellierung unter Berücksichtigung eines KSS für numerische Spanbildungssimulationen statt. Dies soll durch die Kopplung eines mikroskopischen Tribologiemodells mit einem makroskopischen Spanbildungsmodell erreicht werden und bietet die Möglichkeit, die Reibung in der Spanbildungszone in Abhängigkeit der Temperatur, der Relativgeschwindigkeit, der Kontaktnormalspannung sowie der Oberflächentopografien der Wirkpartner und einem Zwischenmedium zu modellieren. Um das technologische Verständnis und die Daten für die Modellierung zu gewinnen und eine Basis für die spätere Übertragung auf die industrielle Fertigung zu legen, sind weitere Grundlagenuntersuchungen zum tribologischen Verhalten der Spanbildungszone geplant. Im Rahmen der ersten Projektphase fanden umfangreiche experimentelle Untersuchungen der Wirkmechanismen von KSS statt und es ist gelungen, ein mikro-tribologisches Modell der Spanbildungszone zu entwickeln, das es erlaubt, diese Wirkmechanismen auf einer experimentell unzugänglichen Skala zu untersuchen und für die Spanbildungssimulation nutzbar zu machen. Das Mikro-Modell basiert auf einer Fluid-Struktur-Kontakt-Simulation durch spline-basierte Finite-Elemente-Methoden. In dieser Förderphase ist die Kopplung des mikro-tribologischen Modells mit einem Spanbildungsmodell geplant. Diese Kopplung erlaubt, das Reibungsverhalten in der numerischen Spanbildungssimulation lokal gradiert unter Berücksichtigung eines KSS zu modellieren. Die Erreichung dieses Ziels erfordert vertiefende experimentelle Untersuchungen zur Einflussanalyse und zur Simulationsvalidierung. Diese umfassen neben der Anwendung einer Methode zur Visualisierung der KSS-Verteilung in der Spanbildungszone insbesondere die Charakterisierung der Haft- und Gleitzone sowie die Ermittlung der lokalen mechanischen Belastungen bei der Zerspanung. Abschließend, in Vorbereitung auf die dritte Förderphase, wir das experimentelle Framework auf einen Drehprozess übertragen.

• 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: Österreich