Entwicklung und experimentelle Verifikation eines Simulationstools für die Prognose und Beeinflussung der dynamischen und thermischen Wechselwirkungsprozesse beim Zerspanen

用于预测和影响加工过程中动态和热相互作用过程的仿真工具的开发和实验验证

• 批准号: 5448885
• 负责人: Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard
• 金额: --
• 依托单位: Institut für Technische und Numerische Mechanik (ITM)
• 依托单位国家: 德国
• 项目类别: Priority Programmes
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 德国
• 起止时间: 2004-12-31 至 2011-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/5448885?language=en
• 关键词: Entwicklung; und; experimentelle; Verifikation; eines

Die Herstellung von Produkten mit Hilfe von Zerspanprozessen stellt einen maßgeblichen Teil der modernen Fertigungsindustrie dar. Trotz einer großen Anzahl von Untersuchungen spanender Fertigungsverfahren existiert bis heute noch kein allgemein gültiges Prozessmodel des Zerspanens sowie seiner Wechselwirkungen mit den Maschinenstrukturen und Werkstücken. Das Ziel des gesamten Forschungsvorhabens ist die Identifikation und mathematische Beschreibung der dynamischen und thermischen Wechselwirkungen zwischen dem Zerspanprozess, der beteiligten Maschinenstruktur und dem Werkstück. Am Ende des mit einer Laufzeit von 6 Jahren geplanten Projekts soll ein Simulationswerkzeug für die Prognose und gezielte Beeinflussung der dynamischen und thermischen Wechselwirkungen zwischen Zerspanprozess, Maschinenstruktur und Werkstück beim Zerspanen metallischer Werkstoffe zur Verfügung stehen. Das zu entwickelnde Simulationswerkzeug setzt sich aus drei gekoppelten Modulen zusammen: ein Modul zur Simulation des dreidimensionalen Zerspanprozesses auf Basis der Diskrete Elemente Methode (DEM), sowie jeweils ein Modul zur Simulation des dynamischen und thermischen Verhaltens der mechanischen Struktur von Werkzeugmaschinen. Letztendlich werden die Module zu einer einheitlichen Simulationsumgebung gekoppelt. Die einzelnen Module sowie das gesamte Simulationswerkzeug werden kontinuierlich in ihren jeweiligen Entwicklungsstufen experimentell verifiziert. In der ersten Projektphase wurden ein auf den Methoden der Diskrete Elemente Methode (Molekulardynamik) basierendes Modell des orthogonalen Zerspanprozesses und ein analytisch- experimentelles 2-dimensionales Zerspanmodell entwickelt und durch experimentelle Untersuchungen und FE-Vergleichsrechnungen validiert. Das Zerspanmodell ist kinetisch und kinematisch an ein elastisches dynamisches Mehrkörpersimulationsmodell der Maschinenstruktur gekoppelt worden. In der zweiten Projektphase wurden das DEM-Zerspanmodell sowie das als Referenz herangezogene FEM-Zerspanmodell um die thermischen Prozesse erweitert. Ein besonderer Schwerpunkt war die Verbesserung der Numerik des DEM-Modells. Parallel hierzu wurden experimentelle Untersuchungen der Temperaturverteilung in der Zerspanzone sowie in der Maschinenstruktur durchgeführt und für die Verifikation der entwickelten Modelle eingesetzt. Abschließend wurde das Zerspanmodell mit einem Mehrkörpermodell gekoppelt, um dynamisch- thermische Wechselwirkungen beim Zerspanen zu simulieren. In der beantragten dritten Phase des Forschungsvorhabens ist vorgesehen, den Zerspanprozess vom bisher betrachteten orthogonalen Zerspanprozess auf dreidimensionale Prozesse zu erweitern. Als Basis hierfür dient ein Drehprozess. Die bisher erarbeiteten Zerspanmodelle sollen dementsprechend erweitert werden, wobei dann auch thermische Aspekte berücksichtigt werden. Zur Verifikation der Modelle werden experimentelle Untersuchungen der Zerspankräfte und der Temperaturverteilung in den Zerspanzonen durchgeführt. Das DEM-Modell wird dann mit einem Modell der Maschine kinematisch und kinetisch gekoppelt. Die Co-Simulation wird durch die experimentelle Betriebsschwingungsanalyse verifiziert und validiert. Somit entsteht ein gekoppeltes dreidimensionales Simulationsmodell für den gesamten Bearbeitungsprozess, welches die kinetischen, kinematischen und thermischen Wechselwirkungen zwischen Zerspannprozess und Maschinenstruktur abbildet und somit die Prognose und gezielte Beeinflussung des gesamten dynamischen Maschinenverhaltens ermöglicht.

生产商与Zerspanprozessen的合作是现代农业的一大支柱。Trotz einer großen Anzahl von Untersuchungen spanender Fertigungsverfahren approtiert bis heute noch kein kemein gültiges Prozessmodel des Zerspanens sowie seiner Wechselenkungen mit den Maschinenstrukturen und Werkstücken. Gesamten Forschungsvorhabens的Ziel是对Zerspanprozess、beteiligten Maschinenstruktur和dem Werkstück的动力学和热传感器的识别和数学描述。在6年计划项目的最后阶段，对Zerspanen金属加工过程中的动力学和热动力学过程、机械结构和加工工艺进行了模拟，以预测和影响Zerspanen金属加工过程中的热动力学和热动力学过程。本文介绍了三种不同的仿真模块：一种基于离散元法（DEM）的三维零过程仿真模块，以及一种用于加工机械结构动力学和热动力学仿真的模块。让我们韦尔登这个模块为一个完整的仿真提供支持。该模块可以在珠宝开发实验中进行连续的韦尔登。在第一阶段，我们采用了一种基于分子动力学的基本方法，建立了一个正交的Zerspan过程模型，并对二维Zerspan模型进行了实验分析，通过实验测量和有限元分析验证了模型的正确性。该Zerspanmodell ist kinetisch und kinematisch an ein elastisches dynamisches Mehrkörpersimulationsmodell der Maschinenstruktur gekoppelt沃登. 在第二个项目阶段，DEM-Zerspanmodell将作为参考，将FEM-Zerspanmodell用于热处理。一个更好的Schwerpunkt是DEM模型数值的Verbesserung。平行分层将在机械结构中对Zerspanzone sowie的温度进行试验，以验证entwickelten模型的有效性。我们将Zerspanmodell与一个Mehrkörpermodell gekoppelt结合起来，使动态热交换器能够模拟Zerspanen。在这一阶段的研究中，Zerspanprozess将更接近于三维正交Zerspanprozess。Als Basis hierfür dient ein Doppler prozess.这位工程师的Zerspanmodelle sollen dementsprechend erweitert韦尔登，wo bei aun auch thermische Aspekte berücksichtigt韦尔登。韦尔登模型的验证是通过实验来研究在不同温度下的热应力和热应力。该DEM模型将包含一个机械运动学和动力学模型。联合仿真通过实验测试分析验证。Somit entsteht een gekoppeltes dreidimensionales Simulationsmodell für den gesamten Bearbeitungsprozess，welches die kinetischen，kinematischen and thermischen Wechselenkungen zwischen Zerspannprozess and Maschinenstruktur abbildet and somit die Prognose and gezielte Beeinfluussung des gesamten Maschinenverhaltens ermöglicht.