Entwicklung eines numerischen Spanbildungsmodells zur Vorhersage des reibungsabhängigen Spanbruchverhaltens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Andreas Menzel
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539920410

Die Prozesssicherheit von Fertigungsverfahren stellt bei der nachhaltigen Erzeugung industrieller Güter einen wichtigen Faktor dar. Bei der spanenden Fertigung mit geometrisch bestimmter Schneide, hängt die Prozesssicherheit wesentlich davon ab, dass die entstehenden Späne zuverlässig von der Wirkstelle abgeführt werden. Insbesondere für die automatisierte Fertigung stellt dies eine Grundvoraussetzung dar. Das Hauptkriterium für die Abführbarkeit von Spänen ist ihre Größe, entsprechend ist ein Spanbruch in ausreichender, reproduzierbarer Frequenz anzustreben. Bei der Bearbeitung duktiler und hochreiner Werkstoffe stellt dies eine Herausforderung dar, da sie aufgrund ihres Materialverhaltens eine größere Deformation aufnehmen können, ohne dass es zu einem Spanbruch kommt. Das verbreitetste Mittel zur Spanbruchgenerierung ist die Verwendung von Spanleitstufen auf der Spanfläche des Werkzeuges, die den Materialfluss derart lenken, dass ein Bruch begünstigt wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass der wesentliche Nachteil von Spanleitstufen der begrenzte Funktionsbereich in Bezug auf Werkstoffe und Schnittwerte ist. Dies liegt unter anderem auch daran, dass die Bruchmechanismen und die Einflüsse auf das Spanbruchverhalten bisher noch nicht vollständig erforscht und insbesondere nicht ausreichend durch Modelle abzubilden ist. Das geplante Projekt verfolgt das Ziel, ein numerisches Spanbildungsmodell zu entwickeln, das es erlaubt, den Vorgang des Spanbruchs realitätsnah vorherzusagen. Dazu soll der Coupled-Eulerian-Langrangian-Ansatz verwendet werden, in dem der Vorgang des Spanbruchs abbildbar ist. Die Eingangsdaten bezüglich des Materialverhaltens sowie das Reibungsverhalten der Werkzeug-Werkstück-Kombination werden mithilfe von experimentellen Charakterisierungversuchen sowie Methoden der inversen Parameteridentifikation generiert. Als technologischer Anwendungsfall für das neuentwickelte Modell ist geplant, den Einfluss von Spanflächentexturierungen auf das Spanbruchverhalten eines hochreinen Vergütungsstahls zu untersuchen. Dabei wird davon ausgegangen, dass durch die reibungsmindernde Wirkung der Textur der Spankrümmungsradius reduziert wird, was wiederum die Vorschädigung des Materials erhöht und somit die Spanbruchneigung steigert. Damit die sehr fein zu vernetzenden Texturelemente bei der simulationsbasierten Werkzeugauslegung nicht mit abgebildet werden müssen, soll ihr Einfluss über Reibungsmodelle berücksichtigt werden. Zum Abschluss des Projektes sollen die entwickelten Werkzeuge in Einsatzversuchen auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft werden. Mit diesen Versuchen geht neben der Validierung der entwickelten Modelle auch ein grundlegender Erkenntnisgewinn in Bezug auf den Spanbruchvorgang einher, der mithilfe moderner Messmethoden charakterisiert werden soll. In Ergänzung zur trockenen Zerspanung soll sowohl in der Modellierung, als auch in den Experimenten der Einfluss einer Überflutungskühlung auf das Spanbruchverhalten untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen