Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Fräsprozessen umgesetzten Energien

 

Der Sonderforschungsbereich Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen“ hat Optimierungen bei der Gestaltung und dem Betrieb von Werkzeugmaschinen unter den Gesichtspunkten von Produktivität, Energieeinsatz und Fertigungsqualität im Kontext des thermischen Verhaltens zum Ziel. Im Teilprojekt A02 des Sonderforschungsbereich Transregio 96 liegt der Untersuchungsschwerpunkt auf den umgesetzten Energien und Temperaturfeldern im Fräsprozess. Ziel des Projekts ist die Analyse kausaler und statistischer Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und thermischen Zustandsgrößen, wie wärmeströmen und Temperaturfeldern. Diese haben unmittelbaren Einfluss auf den Werkzeugverschleiß im Prozess, die Maßhaltigkeit und die Oberflächenintegrität. Der erste Schritt der Arbeiten umfasste grundlegende empirische Untersuchungen in Form von orthogonalen Schnitten zur Abschätzung der Wärmeeinträge ins Werkzeug, Werkstück und Späne in Abhängigkeit von der geleisteten Zerspanungsarbeit und den Prozessparametern Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke. Diese Wärmeeinträge wurden prinzipiell durch Temperaturmessungen mit Thermografie sowie Pyrometrie und der Anwendung des ersten thermodynamischen Hauptsatzes unter vereinfachten Annahmen ermittelt. In den Orthogonalschnitten konnte die Gültigkeit der PÉCLET Zahl als Heuristik zur Abschätzung der Wärmestromaufteilung gezeigt werden.

Ein weiteres Ziel des Projekts war die Analyse der während des Fräsprozesses herrschenden transienten, volumetrischen Temperaturfelder im Werkzeug und deren Modellierung. Dazu wurde der empirisch modellierte und durch Regression approximierte, zeitvariante Wärmefluss in das Werkzeug mit einem analytischen Temperaturmodell auf Basis von GREEN’S Funktionen gekoppelt. Die so vorhergesagten Temperaturfelder wurden mit den gemessen zeitveränderlichen Feldern auf der Werkzeugstirnseite verglichen.

Im Folgeprojekt und der dritten und letzten Phase des Sonderforschungsbereichs soll die Wirkung des Kühlschmiermediums in die Betrachtung einbezogen werden. Hier sind sowohl empirische Versuchsreihen auf Basis der bereits entwickelten Methoden und Messprinzipien aber auch analytische sowie numerische Modelle zur Quantifizierung der effektiven Kühlwirkung vorgesehen.