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

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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.