Anwendung der Finite Pointset Method (FPM) zur Simulation der Spanbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die Arbeiten im zweiten Forschungszeitraum konnte die Leistungsfähigkeit der FPM gegenüber der ersten Projektphase erheblich gesteigert werden. Die umfangreiche Überarbeitung der Methode zur Integration des Spannungstensors ermöglichte die Simulation der Spanbildung im Orthogonalschnitt für eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessgrößen. So konnten die Werkstoffe C45E, Inconel 718 und Reineisen mit unterschiedlichen Spanwinkeln, Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben simuliert werden. Die FPM-Simulationsergebnisse wurden hinsichtlich der Zerspankraftkomponenten, Spandicken und Kontaktlängen sowie teilweise hinsichtlich des Scherwinkels und der Spantemperatur verifiziert. Hierzu wurden vergleichende Zerspan versuche und FEM-Simulationen durchgeführt. Die Abhängigkeit der Ergebnisgrößen von den genannten Prozessgrößen wird durch die FPM-Simulation qualitativ stets richtig wiedergegeben. Die quantitative Abbildungsgenauigkeit der Schnittkraft ist insgesamt gut. Deren Abweichung beträgt in den FPM-Simulationen mit C45E im Mittel 13 % (FEM 39%) und mit Inconel 718 1 9 % (FEM 14%). Die Aussagekraft der Zerspanversuche mit Reineisen war aufgrund von starker Gratbildung und damit verfälschter Spanungsbreite stark eingeschränkt. Die Vorschubkraft wird mit beiden Simulationsmethoden mit einer Differenz von jeweils ca. 83 % nur unzureichend genau abgebildet. Da die Vorschubkraft zu einem großen Anteil aus der Reibkraft besteht, die zwischen dem Span und der Spanflache des Wertaeugs erzeugt wird, und die Kontaktlange zwischen diesen Objekten ebenfalls mit einer Abweichung von ca. 80 % simuliert wird, sollten weitere Arbeiten die Optimierung des Reibungsverhaltens zum Ziel haben. Aktuell wird die Reibung durch das Coulomb'sche Reibungsmodell und aus der Literatur entnommene Reibungskoeffizienten dargestellt. In diesem Zusammenhang sind zumindest zum Teil auch die Abweichungen der simulierten Spandicken von den experimentell gemessenen zu sehen. In allen Simulationen werden die Spandicken unterschätzt. Durch Erweiterung des Modells vom Orthogonaldrehen auf das dreidimensionale Außenlängs-Runddrehen konnte die Tauglichkeit der FPM für die Simulation komplexerer Eingriffsverhaltnisse nachgewiesen werden. Die Abweichungen der Simulationsergebnisse zu Zerspanversuchen sind vergleichbar mit denen bei den Orthogonaldrehsimulationen. Durch die Erweiterung des Materialmodells um zwei Schädigungsmodeile konnte neben dem Fließspan auch der komplexere Segmentspan mit der FPM simuliert werden. Dabei zeigte der Segmentierungsgrad eine große Abhängigkeit von der Partikeldichte. Mit einem geringen Partikelabstand konnte in der Simulation eine gute Übereinstimmung der Spanmorphologie im Vergleich zum Experiment erzielt werden. Ein Teilziel dieses Forschungsprojekts war die Weiterentwicklung der FPM-Zerspansimulation zur Abbildung von KSS. Durch die Einbindung des k-ε-Modells für turbulente Strömungen konnte zunächst in einfachen Abkühlungssimulationen und -experimenten gezeigt werden, dass der Wärmeaustausch zwischen einer flüssigen und einer festen Phase mit sehr hoher Genauigkeit simuliert werden kann. Zur Übertragung des KSS auf die Zerspansimulation wurden die FPM-Algorithmen um die Erkennung verschiedener Phasen an freien Oberflächen erweitert. Numerisch stabile Zerspansimulationen mit KSS konnten bislang nur bei Deaktivierung der Berechnung der Reibungswärme durchgeführt werden. Da sich die somit verringerte Spantemperatur auf die Zerspankräfte und die Spanform auswirkt, war eine abschließende Verifizierung dieser Simulationen nicht möglich. Im Experiment beobachtete Tendenzen, wie die Zunahme der Spankrümmung und die Verringerung der Span- und Schnittflächentemperaturen, konnten jedoch bereits erfolgreich simuliert werden. Damit stellt die Simulierbarkeit von KSS in der Zerspansimulation derzeit ein Alleinstellungsmerkmal der netzfreien FPM gegenüber der FEM dar. Bei Weiterentwicklung der Implementierung des KSS, der Berücksichtigung des Wärmeflusses in das Werkzeug und abschließender Verifizierung kann die FPM zu einem wertvollen Werkzeug für die Analyse des Einflusses von KSS auf den Zerspanprozess werden. Ein weiterer Vorteil der FPM gegenüber der FEM liegt in der bis zu 60 % geringeren Rechenzeit in der dreidimensionalen Orthogonalschnittsimulation. Die FPM erwies sich durch die umfangreiche Parallelisierung der Berechnungsalgorithmen insbesondere bei Nutzung mehrerer CPU-Kerne als vorteilhaft. Dies sowie die durchgeführte Weiterentwicklung des Präprozessors zur automatisierten Erzeugung von Geometriemodellen für die Zerspansimulation sind für die breitere Anwendung der FPM von großer Bedeutung. Abschließend ist für dieses Forschungsvorhaben festzuhalten, dass das Ziel, die FPM für die Zerspansimulation anwendbar zu machen und deren Leistungsfähigkeit zu bewerten, erreicht wurde. Die Vorteile der FPM hinsichtlich der Simulation von KSS und der Reduzierung der Rechenzeit wurden aufgezeigt. Des Weiteren wurden verschiedene Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung der FPM zur Steigerung der Abbildungsgenauigkeit und numerischen Stabilität genannt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Zerspansimulation mit der Finite-Pointset-Methode. Zeitschnft für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 102 (2007) 12, S. 849 - 852
Uhlmann, E.; Mattes, A.; Graf von der Schulenburg, M.; Kuhnert, J.
- Finite Pointset Method (FPM): Meshfree Flow solver with applications to elasto-plastic material laws. In: Proceedings of the International Conference on Particle-Based Methods; Hrsg.: Owen, D. R. J.; Oftate, E.; 2009, S. 423 - 426
Kuhnert, J.
- The Finite-Pointset-Method for the Meshfree Numerical Simulation of Chip Formation. In: Proceedings of the 12th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, 2009, S. 141 - 151
Uhlmann, E.; Gerstenberger, R.; Graf von der Schulenburg, M.; Kuhnert, J.; Mattes, A.
- The Finite Pointset Method - On the way to the meshfree simulation of chip formation. CIRP STCC meeting, Pisa, 27.08.2010
Uhlmann, E.; Gerstenberger, R.; Schäfer, M.; Kuhnert, J.
- Die Finite Pointset Method zur netzfreien Simulation der Spanbildung. Symposium des Graduiertenkolleg 1483, KIT, Karlsruhe, 24.04.2011
Gerstenberger, R.; Uhlmann, E.
- Entwicklung der netzfreien Finite-Pointset-Methode für die Zerspansimulation. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 106 (2011) 7-8, S. 510 - 514
Uhlmann, E.; Gerstenberger, R.; Schäfer, M.; Kuhnert, J.
- Cutting simulation with the meshfree Finite Pointset Method. In: Procedia CIRP 8; 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations; Hrsg.: Settineri, L. München: Elsevier B.V., 2013, S. 390 - 395
Uhlmann, E.; Gerstenberger, R.; Kuhnert, J.
