Schwerpunktprogramm

Sprecher des Schwerpunktprogramms

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann

Tel. +49 231 755-2784
biermann@isf.de

Institut für Spanende Fertigung
Baroper Straße 301
D-44227 Dortmund

Beschreibung

Motivation

In nahezu allen spanenden Fertigungsprozessen werden die herzustellenden Bauteile in erheblichem Maße thermisch beeinflusst. Die bei den Zerspanprozessen im Wesentlichen aus Scher-, Reib- und Trennarbeit resultierende Wärmeenergie fließt über das Werkstück, die entstehenden Späne sowie die eingesetzten Werkzeuge und über den Kühlschmierstoff (KSS) ab. Daneben erzielt der KSS durch seine Schmierwirkung eine Verringerung der Reibungsarbeit. Bei der Trockenbearbeitung und bei Minimalmengenschmierung entfällt diese Temperierung und die Schmierung ist zumindest reduziert. Im Fertigungsprozess entstehende transiente Wärmefelder und die sich im Bauteil akkumulierende Wärme stellen eine deutliche Beeinträchtigung am Fertigteil hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen dar. Denn zahlreiche trockene oder minimalmengengeschmierte Bearbeitungsoperationen bewirken ein komplexes thermisches Belastungskollektiv, das zu thermisch bedingten Form- und Maßabweichungen des Bauteils führt und sein Verhalten im späteren Gebrauch entscheidend verändert. Aufgrund fehlender Grundlagenerkenntnisse können diese Einflüsse zurzeit in der Praxis nur durch aufwändige Einfahrversuche vermieden werden.

Zielsetzung

Aus dieser Problemstellung leitet sich als übergeordnete Zielsetzung des Schwerpunktprogramms die Modellierung, Simulation und Kompensation von thermischen Bearbeitungseinflüssen auf das Bauteil ab. Das Ziel ist es, die aus dem Prozess resultierenden Fertigungsungenauigkeiten bereits in der Fertigungsplanung durch simulationsgestützte Methoden zu vermeiden bzw. zu kompensieren. Die Simulation bspw. nach der Finite-Elemente-Methode ist hierfür ein geeignetes Werkzeug, weil es damit grundsätzlich möglich ist, das thermomechanische Verhalten von Bauteilen durch das Einbringen von thermischen und mechanischen Belastungen zu berechnen. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei alle spanenden Fertigungsverfahren, wobei sich die Problemstellungen für die einzelnen Fertigungsverfahren unterschiedlich darstellen. Das betrachtete Bauteilspektrum umfasst dabei sowohl geometrisch komplexe Formen mit homogener Werkstoffmatrix als auch Komponenten mit inhomogenem Materialgefüge, allerdings stets auf Basis einer metallischen Grundmatrix. Diese Zielsetzung soll in drei aufeinander aufbauenden Phasen von jeweils zwei Jahren erreicht werden, in denen die Komplexität der Simulationsmodelle im Verlauf des SPPs zunimmt.

In der ersten Phase (Machbarkeit) sollen zunächst Grundlagenuntersuchungen zur Modellbildung des Wärmeeintrags im Mittelpunkt stehen. So ist zu klären, welcher Abstraktionsgrad zu realitätsnahen Simulationsergebnissen führt. Das Werkstückspektrum in dieser ersten Phase soll geometrisch und stofflich einfache und homogene Bauteile umfassen.

In der zweiten Phase (Flexibilität) sind die Ergebnisse der ersten Phase auf komplexere Bauteile zu übertragen. Im Fokus stehen sowohl Bauteile mit größeren Abmessungen oder stark schwankenden Wandstärken als auch Werkstücke mit komplexer Werkstoffstruktur, wobei vor allem Werkstoffe mit inhomogenem Gefüge und metallischer Grundmatrix betrachtet werden sollen. Nichtmetallische Verbundwerkstoffe sowie Sandwichstrukturen gehören nicht zum betrachteten Bauteilspektrum.

In der dritten Phase (Kompensation und Optimierung) sollen die Simulationsmodelle genutzt werden, um die spanende Fertigung in der Weise auszulegen, dass die thermisch bedingten Deformationen auf ein Minimum reduziert werden können. Dabei ist zwischen mehreren Strategien zu unterscheiden. Eine Möglichkeit besteht in einer veränderten Fertigungsschrittfolge. Aber auch die Modifikation des eigentlichen Fertigungsprozesses stellt eine Alternative im Sinne einer Kompensationsstrategie dar. Eine gezielte Einbringung von thermischer Energie könnte genutzt werden, um den bereits bestehenden bzw. vorhergesagten Deformationen entgegenzuwirken.

Methodik und Forschungsinhalte

Mit Hilfe von Simulationsmodellen, welche den thermischen Energieeintrag in das Bauteil phänomenologisch beschreiben, können komplette Zerspanprozesse betrachtet werden. Auf diese Weise ist es möglich mehrere Prozessschritte und komplexere Werkstücke zu analysieren. Die möglichen Auswirkungen auf das Werkstück umfassend dabei sowohl thermoelastische und thermoplastische Deformationen. Als auch Phasenumwandlungen in der Randzone. Dabei sollen folgende Forschungsinhalte im Rahmen des SPP unter der genannten Zielsetzung der Kompensation von thermisch bedingten Fertigungsabweichungen bearbeitet werden:

Dabei sollen möglichst komplette Prozesse, mindestens aber ganze Prozessschritte betrachtet werden, wie etwa die vollständige Schlichtbearbeitung an einer frei geformten Oberfläche oder die gesamte Bohrungsbearbeitung an einem Bauteil. Hierzu ist eine experimentelle oder simulative Detailanalyse der Temperaturphänomene bei Zerspanprozessen erforderlich und steht im Mittelpunkt des geplanten SPP. Die thermischen Phänomene müssen dabei deutlich in den Vordergrund gerückt werden, wobei thermomechanische Kopplungen in vielen Fällen notwendig sein werden. Die Abstraktion des realen multivariablen Zerspanprozesses auf idealisierte Belastungsmodelle, welche die Funktion des Werkzeugs substituieren, stellt ebenso einen zentralen Untersuchungsschwerpunkt im geplanten SPP dar, wie die Modellierung der Wärmeakkumulation in einer Bearbeitungsfolge.