Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Wälzfräsen

 

Ausgangssituation

Für die Bewertung der Werkzeugbelastung und des Verschleißverhaltens werden beim Wälzfräsen insbesondere geometrische Spanungskenngrößen herangezogen. Der Nachteil der geometrischen Betrachtungsweise liegt in der unzureichenden Beschreibung der Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Werkstoff, Schneidstoff, Schnittgeschwindigkeit, Schneidkantenform sowie die (effektiven) Span- und Freiwinkel haben keinen Einfluss auf die Durchdringungsverhältnisse. Zur Berücksichtigung dieser Größen sind Kontinuum-Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) etabliert. Den Vorteilen der FEM stehen jedoch hohe Rechenzeiten, die Notwendigkeit validierter Material- und Kontaktmodelle sowie ein hoher Aufwand bei der Modellerstellung gegenüber, was einen anwendungsgerechten Einsatz erschwert.

Forschungsziel

Das Ziel ist die Entwicklung eines Mehrskalenmodells, welches die geometrischen Durchdringungsgrößen mit der FEM verbindet. In FEM-Simulationen des Orthogonalschnitts werden Schnittgeschwindigkeit, Spanungsdicke und Spanwinkel innerhalb eines definierten Parameterraums variiert. Als Ergebnis stehen funktionale Zusammenhänge zwischen thermomechanischen Belastungs- sowie Zustandsgrößen und den Variationsparametern zur Verfügung. In der geometrischen Durchdringungsrechnung wird der Wälzfräsprozess simuliert und die Spanungskenngrößen für jede Wälzstellung ermittelt. Durch die Diskretisierung des Werkzeugprofils werden die Spanungskenngrößen lokal für jeden Punkt der Werkzeugschneide aufgelöst. Diese dienen als Eingangsgrößen für die mittels FEM ermittelten Belastungsfunktionen. Die Gleichungen werden an sämtlichen Punkten der Schneide für jede Wälzstellung gelöst. Das Ergebnis ist ein Mehrskalenmodell für die Beschreibung der thermomechanischen Belastung der Werkzeugschneide in jeder Wälzstellung. Das Mehrskalenmodell wird im Schlagzahnversuch hinsichtlich der resultierenden Zerspankraft validiert. Die mittels Mehrskalenmodell simulierte Temperatur wird durch eine FEM-Simulation eines vollen Schneideneingriffs in einer Wälzstellung verifiziert.