Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Gratbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Modellierung von Größeneinflüssen bei Fertigungsprozessen" wurden die sogenannten Größeneffekte, welche bei der Skalierung von Fertigungsprozessen auftreten, detektiert und analysiert. Dabei war die spanende Fertigung, neben der Umformtechnik, Mechanik und Werkstofftechnik, eines der Hauptgebiete. Bei der Skalierung des Spanprozesses wurden verschiedene Größeneffekte aufgezeigt wobei bei diesen Untersuchungen nur der Spanprozess im randfernen Bereich betrachtet wurde. Im Gegensatz dazu wird im hier beschriebenen Teilprojekt "Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Gratbildung" der Fokus auf die Effekte bei der Zerspanung im randnahen Werkstückbereich gelegt. In diesem Bereich bildet sich der Spanbildungsprozess in den Gratbildungsprozess um. Dieser weist Analogien, aber auch deutliche Unterschiede im Vergleich zum Zerspanprozess, auf. Untersuchungen im Bereich der kommerziellen Zerspanung zeigten, dass beim randnahen Spanen durch das Fehlen von Material vor der primären Scherzone sich diese zur sogenannten Gratbildungszone umbildet. Grundlagenuntersuchungen am orthogonalen Schnitt verdeutlichten, dass viele Prozessparameter starken Einfluss auf die Gratbildungszone haben und diese im direkten Zusammenhang mit einem Druckgebiet, der sogenannten hydrostatischen Schüssel, stehen. Des Weiteren wurden Größeneffekte beim Schnitt-Drangkraft-Verhältnis für den orthogonalen Schnitt mit skaliertem Schneidkantenfasen-Schnitttiefen-Verhältnis nachgewiesen. Diese theoretischen Untersuchungen wurden im hier ausgewerteten zweiten Antragszeitraum vertieft und zur Analyse der Skalierungseftekte bei dreidimensionalen Zerspanprozessen weiterverwendet. Im Rahmen der Untersuchungen stand die dreidimensionale Gratbetrachtung im Mittelpunkt. Es wurden verschiedene numerische Untersuchungen durchgeführt und zur besseren Modellerstellung und Gratanalyse Eingabe- und Auswertungstools erstellt. Softwareentwicklungen in dieser Richtung waren notwendig, da die FE-Berechnung von dreidimensionalen Zerspanvorgängen, im speziellen der Bohrprozess, sich noch im Entwicklungsstadium befand und Forschungsgegenstand war. Die Modellierung der Bohrgratbildung stellte dabei ein unerforschtes Teilgebiet dar, wodurch bei diesen Kalkulationen auf keinerlei Literatur und Erkenntnisse von vorangegangenen Untersuchungen zurückgegriffen werden konnte. Zur Auswertung der FE-Rechnungen müssten verschiedene Tools zu bestehenden kommerziellen Programmen entwickelt werden. Ergänzend dazu war die Entwicklung von Routinen zur Erstellung von FE-Modellen der Bohrwerkzeuge notwendig. Im Ergebnis konnte eine FE-Analyse der Bohrgratbildung durchgeführt und diese mit den Bohrexperimenten validiert werden. Die experimentellen Untersuchungen setzten sich aus Bohrversuchen mit der Aufzeichnung der mechanischen und thermischen Größen während der Gratbildung sowie metallurgischen Untersuchen des entstandenen Grates nach dem Versuch zusammen. Die Bohrversuche umfassten dabei ein Bohrerspektrum von Bohrerdurchmessern d = 14 mm bis d = 100 μm. Dabei zeigten sich deutliche Größeneffekte. Ergänzend zu diesen Untersuchungen wurden Bohrreihen im makroskopischen Durchmesserbereich 14 mm ≥ d ≥ 2 mm mit skaliertem oder konstantem Zahnvorschub fz in Kombination mit skaliertem oder konstantem Schneidkantenradius rß durchgeführt. Dabei zeigte sich ein direkter Einfluss des Verhältnisses λ fz/rß zwischen Schneidkantenradius und Zahnvorschub auf die Gratbildung. Die Aufzeichnungen der mechanischen und thermischen Prozessparameter verdeutlichten die Gratbildungsmechanismen und die Effekte, auf welchen die verschiedenen Bohrgrattypen beruhen. In Kombination mit den FE-Simulationen zur Gratbildung konnte ein umfassendes Modell zur Bohrgratbildung erstellt werden, welches die nicht messtechnisch erfassbaren Größen, wie beispielsweise die Spannungs- und Dehnungsverteilung während der Bohrgratbildung, mit einschließt. Die Ergebnisse und das entwickelte Bohrgratmodell bilden die Grundlagen für kommende Untersuchungen, da sich gezeigt hat, dass der Grat in allen Größenbereichen auftritt und besonders im Mikrobereich durch seine relativ zum Bohrerdurchmesser großen geometrischen Abmessungen ein Toleranz- und Qualitätsproblem darstellt. Dem fertigungstechnischen Ziel der gratfreien oder gratminimalen Bohrung wurde sich durch die Aufzeigung der Einflussparameter und der Gratbildungsmechanismen stark genähert. Darauf aufbauend sind Untersuchungen zur Vermeidung von großen problematischen Kronengraten mittels der Steuerung der Werkzeugparameter im Verhältnis zu den Zerspanparametern möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Influence of ultrasonically assisted cutting on burr formation". 9th CIRP International Conference on Modeling of Machining Operations, Bled, Slovenien, 2006
Ahmed, N.; Stoll, A.; Leopold, J.; Mitrofanov, A.V.; Silberschmidt V.
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"Investigations on the influence of local material properties of Burr Formation". 10th CIRP International Conference on Modeling of Machining Operations, Reggio di Calabria, 2007
Dix, M.; Leopold, J.; Neugebauer, R.
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"Modelling, Simulations and experimental Verification of Size Effects in Burr Formation". 2nd International Conference on New Forming Technology, Bremen, 2007
Dix, M.; Leopold, J.; Neugebauer, R.
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„Einfluss der lokalen Aufhärtung der Werkstückkante auf die Gratbildung". Arbeitskreistreffen Gratminimierung, Stuttgart, 2007
Dix, M., Leopold, J., Neugebauer, R.
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„Gratbildung unter Berücksichtigung der Größeneinflüsse". Arbeitskreistreffen des SPP1138, Erlangen, 2007, ISSN: 1860- 8698
Dix, M., Leopold, J., Neugebauer, R.
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„Numerical Investigations of the Burr Formation in Drilling". DEFORM™-Anwendertreffen. Stuttgart, 08.11.2007
Dix, M., Leopold, J., Neugebauer, R.
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"Thermomechanical Experiments of the Drilling Burr Formation". 2nd International Conference Innovative Cutting Processes & Smart Machining, Cluny, France, 2008
Dix, M., Leopold, J., Neugebauer, R.
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„Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Bohrgratbildung". Arbeitskreistreffen des SPP1138, Chemnitz, 2008, ISSN: 1860-8698
Dix, M., Leopold, J., Neugebauer, R.
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„Simulation of a Self-deburring Drilling Process based on Local Material Modification". 11th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations, Washington, USA, 2008
Neugebauer, R., Harzbecker, C., Schmidt, G., Dix, M., Schönherr, J.
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„Drilling burr detection using signal analysis of measured process data". CIRP January Meetings, Paris, France, 2009
Neugebauer, R., Schmidt, G., Dix, M.
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„Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Gratbildung". Abschlusskolloquium des SPP1138, Bonn, 2009
Neugebauer, R., Schmidt, G., Leopold, J., Dix, M., Stoll, A.
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„Modellierung, Simulation und experimentelle Verifikation von Größeneinflüssen bei der Gratbildung". Größeneinflüsse bei Fertigungsprozessen, Hrsg. F. Vollertsen, Beiträge zum Abschlusskolloquium des SPP1138, 2009
Neugebauer, R., Schmidt, G., Leopold, J., Dix, M., Stoll, A.
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„Size Effects in Drilling Burr Formation". 1st CIRP International Burr Conference, Kaiserslautern, 2009
Neugebauer, R., Schmidt, G.; Dix, M.
