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.

Die Herstellung von Produkten mit Hilfe von Zerspanprozessen stellt einen maßgeblichen Teil der Modernen Fertigungsindustrie dar。 Trotz einer großen Anzahl von Untersuchungen spanender Fertigungsverfahren is notiert bis heute noch kein allgemein gültiges Prozessmodel des Zerspanens sowie seiner Wechselwirkungen mit den Maschinenstrukturen und Werkstücken. Das Ziel des gesamten Forschungsvorhabens 是动态和热力学的识别和数学研究，是 Zerspanprozess、 der beteiligten Maschinenstruktur 和 dem Werkstück 的。 6 年前的最后一个项目是用于预测和预测动态和热力学的模拟工程、Zerspanen 金属加工、机械结构和制造 Werkstoffe zur Verfügung stehen。 Das zu entwickelnde Simulationswerkzeug setzt sich aus drei gekoppelten Modulen zusammen: ein Modul zur Simulation des dreiDimensionen Zerspanprozesses auf Basis der Diskrete Elemente Methode (DEM), sowie jeweils ein Modul zur Simulation des dynamischen und thermischen Verhaltens der mechanischen Struktur von Werkzeugmaschinen。模拟模块是一个单一的模拟模块。该模块是一个完整的模拟装置，可在实验验证中进行连续的模拟。在离散元素方法（分子动力学）的方法中，正交Zerspanprozesses模型和分析实验的二维Zerspanmodell entwickelt和durch Experimentelle Untersuchungen和FE-Vergleichsrechnungen的Projektphase wurden 有效。 Das Zerspanmodell 是机械结构术语中的运动学和运动学和弹性动力学模拟模型。 在 DEM-Zerspan 模型的两个 Projektphase 中，我们参考 FEM-Zerspan 模型和热力学过程。 Ein besonderer Schwerpunkt war die Verbesserung der Numerik des DEM-Modells。并行实验在机械结构和模型设计验证中的温度测量中进行。绝对的 Zerspanmodel 与 Mehrkörpermodell gekoppelt 一样，是动态热力学 Wechselwirkungen beim Zerspanen zu simulieren。在研究的阶段，Zerspanprozess 会与其他维度的 Prozesse 正交。 Als Basis hierfür dient ein Drehprozess。请将 Zerspanmodelle Solen dementsprechend erweitert werden、wobei dann auch thermische Aspekte berücksichtigt werden。在 Zerspanzonen durchgeführt 中进行 Zerspankräfte 和 Temperaturverteilung 实验中的模型验证。 Das DEM 模型包含机械运动和运动几何模型。通过实验进行联合仿真以进行验证和验证分析。 Somit entsteht ein gekoppeltes dreiDimensiones 模拟模型用于整体轴承过程、运动、运动和热力学 Wechselwirkungen zwischen Zerspannprozess 和 Maschinenstruktur abbildet 和 somit die Prognose 和 gezielte Beeinflussung des gesamten dynamischen Maschinenverhaltens ermöglicht。