Einfluss der Spanungsquerschnittsformen auf die Spanbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Analyse des Einflusses der Spanungsquerschnittsgeometrie auf den Spanbildungsmechanismus und die Prozesskräfte. Hierbei wurde sowohl die Spanungsquerschnittsform als auch die Spanungsquerschnittsgröße systematisch variiert. Es wurde ein neues Kraftmodell entwickelt, welches die Berechnung der Prozesskräfte für beliebige Spanungsquerschnittsformen und effektive Spanungsdicken im Bereich von 3 μm bis zu mehr als 150 pμm, wie sie bei Schleif- und Drehprozessen auftreten, erlaubt. Es zeigte sich, dass die bestehenden Spanungsgrößen Spanungsdicke h und Spanungsbreite b für die Beschreibung der Spanbildung sowie für die Prognose der Zerspankräfte nicht hinreichend sind. Daher wurde die effektive Spanungsdicke h* eingeführt, welche sich aus dem Verhältnis der Spanungsquerschnittsfläche A und der effektiven Spanungsbreite b* berechnet. Die effektive Spanungsbreite b* entspricht der im Eingriff befindlichen Länge der Schneidkante. Auf dieser Basis wurden die spezifischen Zerspankraftkomponenten analysiert. Hierbei zeigte sich eine gute Korrelation zwischen der spezifischen Schnittkraft und der effektiven Spanungsdicke. Für die spezifische Passiv- und Vorschubkraft war eine Korrelation nicht gegeben. Aus diesem Grund wurde die bezogene Kraft F' eingeführt, welche sich aus der jeweiligen Kraftkomponente bezogen auf die effektive Spanungsbreite berechnet. Hier zeigte sich auch für die Schnittkraft eine verbesserte Korrelation zu der effektiven Spanungsdicke. Darüber hinaus ergibt sich eine gute Korrelation zwischen der Drangkraft und der effektiven Spanungsdicke. Über die Spanfließrichtung kann die Drangkraft wiederum in Passiv- und Vorschubkraft umgerechnet werden. Darüber hinaus wurde die Spanbildung analysiert. Hier ergab sich eine Abhängigkeit der Spanbildung von der lokalen Spanungsdicke. An Bereichen mit größerer Spanungsdicke entsteht ein Segmentspan, während sich bei Bereichen mit geringerer Spanungsdicke ein Fließspan ergibt. Folglich treten bei gewissen Spanungsquerschnittsgeometrien Fließ- und Segmentspanbildung gleichzeitig auf. Die Fließspanbildung konzentriert sich in diesem Fall auf den Bereich des Eckenradius während die Segmentspanbildung am freien Rand des Spanungsquerschnitts entsteht. Mit sinkender Spanungsdicke wird ein Anstieg der spezifischen Zerspankräfte beobachtet. Dieser Anstieg wird häufig auf eine Erhöhung der Dehnrate und einer damit verbundenen Verfestigung des Materials zurückgeführt. Um den Einfluss der Dehnraten experimentell untersuchen zu können, wurden zunächst FE-Simulationen durchgeführt. Bei diesen Simulationen wurde die Schnittgeschwindigkeit variiert, so dass bei verschiedenen Spanungsdicken eine vergleichbare Dehnrate in der Mitte der Scherzone auftritt. Mit diesen Schnittgeschwindigkeiten wurden anschließend experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Als Referenz wurde eine Versuchsreihe mit konstanter Schnittgeschwindigkeit untersucht. Es zeigte sich, dass die Dehnrate keinen wesentlichen Einfluss auf die Spanbildung und die spezifischen Kräfte aufweist. Bei unterschiedlichen Dehnraten ergeben sich vergleichbare spezifische Kräfte und auch Spanstauchungen. Im Rahmen des Projektes wurde am Beispiel des Materials C45E ein neues Kraftmodell entwickelt. In weiteren Arbeiten gilt es zu klären, ob die Zusammenhänge auch auf andere Materialien übertragbar sind. Dieses würde zu der Möglichkeit führen, dieses Kraftmodell auch industriell zu etablieren. Das entwickelte Modell erlaubt eine bessere Genauigkeit bei der Berechnung der Prozesskräfte insbesondere bei solchen Spanungsquerschnittsgeometrien, welche bei der Victor-Kienzle-Gleichung beispielsweise außerhalb des Gültigkeitsbereichs liegen. Auf Basis dieses Kraftmodells ist es beispielsweise möglich, optimierte Spanungsquerschnittsgeometrien hinsichtlich der verfügbaren Maschinenleistung oder der Werkstückabdrängung auszuwählen. Somit könnte sowohl die Produktivität als auch die Werkstückqualität gesteigert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss des Eckenradius auf die Zerspankräfte beim Drehen. 2. Kolloquium Prozessskalierung, 9.-10. November 2005, Bremen
Denkena, B.; Reichstein, M.; de Leon, L.; Köhler, J.
- Influence of the Tool Corner Radius on the Cutting Forces. CIRP 2006 January Meeting. 25-27 January 2006, Paris
Denkena, B.; de Leon, L.
- Influence of the Rake Angle on the Chip Formation in Form Turning Processes. Proceedings of the 2nd ICNFT: 2nd International Conference on New Forming Technology, 20-21 September 2007, Bremen, S. 521- 530
Denkena, B., Boehnke, D., Köhler, J.
- Size effects in Turning Operations. CIRP General Assembly, Special Session on Size Effects, 20-24 August 2007, Dresden
Denkena, B.; Köhler, J.
- Modellierung der Spanungsquerschnittsgeometrie und Berücksichtigung in der Victor-Kienzle-Formel. Arbeitskreistreffen "Werkstoffe und Simulation" und "Fertigungstechnologie", 9. Mai 2008, Chemnitz
Köhler, J.
- Einfluss der Spanungsquerschnittsform auf die Spanbildung. In: Vollertsen, F. (Hrsg.): Prozessskalierung. BIAS-Verlag, Bremen, 2009, S. 395-414
Denkena, B.; de Leon, L.; Köhler, J.
