Simulation von Mehrfachspanbildungen. Aktueller Stand der Forschung und Technik

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
1.2 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Der Begriff Spanen
2.1.1 Übersicht der Fertigungsverfahren
2.1.2 Einflussgrößen beim Zerspanen
2.1.3 Spanarten und -formen
2.2 Spanbildungssimulation
2.3 Mehrfachspanbildung am Beispiel Räumen

3 Stand der Technik und Forschung
3.1 Vertiefung des Fertigungsverfahrens Räumen
3.2 Grundsätzliches zur Mehrfachspanbildungssimulation
3.2.1 Anmerkungen zu den Publikationen
3.2.2 Übersicht der Simulationsmethoden
3.3 Simulationsvorgänge im Detail
3.3.1 Eine Schneide, mehrere Vorgänge
3.3.2 Mehrere modellierte Schneiden
3.4 Simulationsergebnisse
3.4.1 Schnittkräfte
3.4.2 Temperaturen
3.4.3 Plastische Dehnung
3.4.4 Spannungen
3.4.5 Spanbildung allgemein

4 Gesamtergebnisse

5 Bewertung

6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation und Zielsetzung

Beim Fräsen, Bohren oder Räumen werden Werkstücke durch ein mehrschneidiges Werkzeug maschinell bearbeitet. Nach jedem Schneidevorgang bildet sich an der Randschicht ein Span. Jedoch verändern sich durch eine Spanbildung die Oberflächeneigenschaften wie Temperatur, plastische Dehnung oder Spannungen. Diese Veränderungen wirken sich auf die weiteren Spanbildungen an derselben Stelle der Oberfläche aus.

Zur Simulation von Zerspanungsprozessen nutzt man häufig die Finite Elemente Methode (FEM), welches ein mathematisches Verfahren ist.

In den meisten Simulationen jedoch bleibt die Mehrfachspanbildung unberücksichtigt, was zu unpräzisen Ergebnissen führen kann.

Ziel dieser Seminararbeit ist es, den aktuellen Stand der Forschung und Technik der Simulation von Mehrfachspanbildungen aufzuzeigen und eventuell noch vorhandene Schwachpunkte zu erkennen und zu benennen. Außerdem wird die Frage beantwortet, welche physikalischen Größen von der Mehrfachspanbildung wie weit betroffen sind und welche Größen nicht.

1.2 Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit besteht aus sechs Kapiteln, angeführt von diesem ersten Kapitel.

Kapitel 2 erklärt die nötigen Grundlagen zum Spanen, zur Simulation und zur Mehrfachspanbildung.

In Kapitel 3 folgt der aktuelle Stand der Technik und Forschung. Hierzu wird zunächst das Fertigungsverfahren Räumen erklärt. Es folgen die Methoden zur Simulation und deren Ergebnisse, die im vierten Kapitel diskutiert werden.

Anschließend werden sie in Kapitel 5 bewertet.

Eine Zusammenfassung und ein Ausblick für die zukünftige Forschung in Kapitel 6 runden die Seminararbeit ab.

Der geneigte Leser sollte dann in der Lage sein, dieses komplexe, aber interessante Thema zu verstehen und eventuell die Ergebnisse für eigene Forschungsarbeiten zu verwenden.

2 Grundlagen

2.1 Der Begriff Spanen

2.1.1 Übersicht der Fertigungsverfahren

Für das Verständnis des Begriffes müssen zunächst übergeordnete Begriffe erklärt werden. Nach der [DIN 8580] bezeichnet das Fertigungsverfahren Prozesse der Produktionstechnik, in denen man Produkte aus anderen Gütern herstellt.

Im Folgenden sind die Hauptgruppen des Fertigungsverfahrens und exemplarisch entscheidenden Untergruppen dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Übersicht der Fertigungsverfahren [Fac]

Die sechs Hauptgruppen sind: Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Änderung von Stoffeigenschaften. Die für diese Seminararbeit wichtige Hauptgruppe darin ist das Verfahren „Trennen". Hierunter versteht man die Verfahren, in denen der Werkstoffzusammenhalt an der Bearbeitungsstelle aufgehoben wird.

Das einfachste Verfahren dieser Gruppe, das jeder aus dem Alltag kennt, ist das „Messerschneiden“, welches zur Gruppe „Zerteilen“ gehört. Ein zu zerteilendes Werkstück liegt auf einer Unterlage und eine scharfe Schneide zerteilt dieses durch Druck und eine Schneidbewegung.

Weitere Untergruppen des Trennens sind: Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden, Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden, Abtragen, Zerlegen und Reinigen.

Das hier relevante Trennverfahren jedoch ist das „Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden“, was durch [DIN 8589-0] definiert ist. Das Zerspanen beschreibt das Verfahren, bei dem ein Material in eine bestimmte Form gebracht wird, indem nicht erwünschte Teile des Materials in Form von Spänen abgetragen werden. Im Gegensatz zum Spanen „mit geometrisch unbestimmter Schneide“ sind bei dem „mit geometrisch bestimmter Schneide“ Form der Schneidkante, Schneidenzahl und Lage zum Werkstück bekannt.

2.1.2 Einflussgrößen beim Zerspanen

Beim Spanen wird aus einem Rohteil mittels Werkzeug das gewünschte Fertigteil produziert. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, müssen einige Prozesskenngrößen beachtet werden, die maßgeblich für die resultierende Qualität des Fertigteils sind.

2.1.2.1 Geschwindigkeitsvektoren

Die relevanten Bewegungen beim Zerspanen sind:

Vorschubbewegung und Die folgende Abbildung zeigt die drei Bewegungen beispielhaft beim Fräsen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Bewegungen beim Fräsen [Wik1]

Die Kriterien zur Bestimmung der optimalen Schnittgeschwindigkeit sind:

Der Werkstoff des Werkzeugs: Je härter das Werkzeug, desto höher muss die Schnittgeschwindigkeit sein.

Der Werkstoff des Werkstücks: Je härter das Werkstück, desto höher die Schnittgeschwindigkeit.

Die Art der Zerspanung: Je feiner die Bearbeitung, desto höher die Schnittgeschwindigkeit.

Die Kühlschmierung: Bei Einsatz einer Kühlschmierung sind höhere Schnittgeschwindigkeiten zulässig.

Die Schnittgeschwindigkeit und damit einhergehend die Umdrehungsfrequenz berechnen sich wie folgt:

Für die optimale Vorschubgeschwindigkeit müssen folgende Faktoren beachtet werden:

Die gewünschte Oberflächenqualität: Je besser die Oberflächenqualität sein soll, desto kleiner muss der Vorschub sein.

Die Art der Zerspanung: Je gröber die Bearbeitung, desto größer der Vorschub.

Der Werkstoff des Werkstücks: Je härter das Werkzeug, desto niedriger die Vorschubgeschwindigkeit.

Der Werkstoff des Schneidstoffs: Je härter der Schneidstoff, desto höher der Vorschub.

Beim Fräsen beispielsweise errechnet sich der Vorschub wie folgt:

Die Resultierende der beiden Vektoren Schnittgeschwindkeit und Vorschubgeschwindigkeit ist der Wirkgeschwindigkeitsvektor den man durch ein Kräfteparallelogramm erhält. Wenn die Schnittgeschwindigkeit deutlich größer ist als die Vorschubgeschwindigkeit, sind Schnitt- und Wirkgeschwindigkeit annähernd gleich, da ein sehr kleiner Vektor bei der Vektorenverschiebung nicht mehr ins Gewicht fällt.

Die Zustellbewegung bestimmt beim Drehen die Schnitttiefe und beim Fräsen den Arbeitseingriff. Beides legt die Dicke der Schicht fest, die durch Zerspanen abgetragen wird. [Haf-11]

2.1.2.2 Winkel der Werkzeugschneide

Die Geometrie der Schneide nimmt maßgeblichen Einfluss auf den Zerspanungsprozess. Diese wird durch die nächste Abbildung dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Winkel in der Zerspanungstechnik [Wik2]

Der Keilwinkel bestimmt die Stabilität der Werkzeugschneide. Je höher der Winkel, desto stabiler ist die Schneide. Daraus folgt, dass bei härterem Werkstoff ein größerer Keilwinkel zu wählen ist. Bei größerem Freiwinkel wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert. Dadurch verbessert sich die Qualität der Werkstückoberfläche und die Wärmeaufnahme des Werkzeugs wird reduziert. Keilwinkel und Freiwinkel bilden zusammen den Schnittwinkel. Bei zunehmendem Spanwinkel sinkt die erforderliche Zerspankraft. Schnittwinkel und Spanwinkel bilden zusammen 90°.

2.1.3 Spanarten und -formen

Die drei wichtigsten Spanarten sind Reißspan, Scherspan und Fließspan. Kennzeichen von Reißspänen sind ein vorauseilender Riss, das Herausreißen einzelner Spanteile aus dem Werkstück, kurze, nicht zusammenhängende Späne und eine raue Werkstückoberfläche. Den Scherspan erkennt man an seiner schuppigen Oberfläche. Er tritt auf, wenn Spanteile, die in der Scherzone getrennt wurden, teilweise wieder verschweißen. Ein Fließspan ist ein langer, fortlaufender Span, der nicht in einzelne Teilspäne getrennt ist. Auswirkungen sind eine bessere Oberflächenqualität, kleiner Maßtoleranzen, kleinere Schnittkraftschwankungen und bessere Form- und Lagetoleranzen. Zu beachten ist auch, dass vom Reißspan über Scherspan zum Fließspan die Verformbarkeit des Werkstoffs, die Schnittgeschwindigkeit und der Spanwinkel zunehmen. Der Vorschub und die Schnitttiefe nehmen in derselben Reihenfolge ab. Abbbildung 2.4 zeigt die drei wichtigsten Spanarten. Gut zu erkennen ist hierbei auch der zunehmende Spanwinkel von links nach rechts.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4 Spanarten [Koe-08]

Die folgende Abbildung zeigt verschiedene Spanformen und deren Eignung im Zerspanungsbetrieb:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5 Spanformen und deren Eignung [Koe-08]

Es fällt auf, dass kleinere Späne grundsätzlich besser geeignet sind als längere. In diesem Diagramm wird nochmal deutlich, dass ein größerer Vorschub mit kürzeren Spänen und eine größere Schnitttiefe mit einem insgesamt größeren Volumen der Späne einhergeht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6 Zusammenhang zwischen Spanformen und Vorschub und Schnitttiefe [Koe-08]

Am günstigsten wären Späne mit den Vorteilen der Fließspanbildung, aber kurzer Spanlänge. Da dies jedoch ein Widerspruch ist, müssen die langen Fließspäne gebrochen werden. Dies übernehmen sogenannte Spanformer oder Spanleitstufen. Dies sind Vertiefungen, die direkt hinter die Werkzeugschneide eingearbeitet sind [Haf-11]. Nachstehende Abbildung zeigt die Spanleitstufe -R88 von CERATIZIT, die sich durch eine sehr stabile Schneidkante für hohe Vorschübe auszeichnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7 Spanleitstufe -R88 von CERATIZIT [Cer-10]

2.2 Spanbildungssimulation

Da es häufig zu teuer und zeitaufwendig ist, neue Entwürfe von Werkstücken und auch neue Werkzeuge experimentell auf deren Umsetzbarkeit bzw. deren Funktion zu testen, werden entsprechende Vorgänge simuliert. Sofort einleuchtende Vorteile sind, dass kein Material verschwendet wird, kein Werkzeug verschlissen wird, weniger Personaleinsatz notwendig ist, Maschinen nicht gewartet werden müssen, diese keinen unnötigen Strom verbrauchen und keine Abfälle entstehen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass plasto-mechanische und thermische Vorgänge direkt berücksichtigt werden können, was experimentell nur schwer ermittelbar ist. Außerdem können komplex geformte Werkzeuge auf den Zerspanprozess abgebildet werden. Die gängigste Methode zur Modellierung ist die „Finite Elemente Methode“ (FEM) [Klo-08].

Ihre Entwicklung ist auf die 1950er Jahre zurückzuführen. Forscher und Anwender haben gemeinsam an ihrer Entstehung gearbeitet, um aus ihr ein universelles Werkzeug der Modellierung zu machen. [Mer-10]

Kurz gesagt, ist sie ein numerisches Verfahren, um partielle Differentialgleichungen zu lösen. Dieses Verfahren liefert eine Näherungsfunktion, deren Exaktheit von der Anzahl der Freiheitsgrade abhängt. Als Vorarbeit muss das Gebiet, mit dem gerechnet wird, in eine beliebig große, aber endliche, sprich finite Anzahl von Elementen unterteilt werden. Daher der Name „Finite Elemente Methode“.

Zur Analyse mittels FEM sind stets folgende Punkte notwendig:

Diskretisierung des Kontinuums Auswahl der Interpolationsfunktion Bestimmung der Elementeigenschaften Zusammensetzen der Elementgleichungen Lösung des Gleichungssystems [Klo-08].

In einem Kontinuum stehen alle Punkte mit ihren Nachbarpunkten in Wechselwirkung. Es gibt sozusagen keinen Zwischenschritt auf einer Fläche oder anders ausgedrückt, um von einem Punkt zum nächsten zu gelangen, passiert man unendlich viele Zwischenschritte. Beispielhaft wird folgendes Kontinuum betrachtet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8 Kontinuum mit Last und Randbedingungen [Mer-10]

Bei der Diskretisierung teilt man nun diese Fläche in geometrische Teilflächen beliebiger Anzahl. Bei der zweidimensionalen Diskretisierung werden meist Drei- oder Vierecke verwendet. Um die Elementtypen vollständig zu definieren, benötigt man eine Elementform, die Anzahl der Knoten, die Art der Knotenvariablen und die Interpolationsfunktion. Im diskretisierten Kontinuum existieren Wechselwirkungen nur innerhalb eines Elements. Abbildung 2.9 zeigt obiges Kontinuum diskretisiert durch Dreiecke.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9 Diskretisierung durch dreieckige Flächen [Mer-10]

Eine Interpolationsfunktion ist eine stetige Funktion, die diskrete Daten „geglättet“ abbildet. Dabei ist eine Interpolation immer eine Approximation. Häufig werden hierfür Polynome verwendet. Deren Ordnung hängt von der Anzahl der Elementknoten und der Anzahl der Unbekannten ab. Anschließend folgt die Bestimmung der Elementeigenschaften. Die Elementgleichungen beschreiben den Zusammenhang zwischen den primären und den sekundären Unbekannten. Primäre Unbekannte können beispielsweise Geschwindigkeit, Verschiebung und Temperatur sein, sekundäre zum Beispiel Spannungen. Danach wird die Lösung für jedes einzelne Element formuliert und anschließend die Elementmatrizen zur globalen Matrix zusammengesetzt. Das Gleichungssystem muss zuletzt mit geeigneten Verfahren gelöst werden. Dies geschieht beispielweise mit dem Gaußschen Eliminationsverfahren.

Gängige Programme zur Simulation sind SFTC / DEFORM, Third WAVE / ADVANTEDGE, ABAQUS und MSC / Marc. Während früher große Rechenanlagen notwendig waren, sind heutzutage gängige Personal Computer (PC) für übliche Simulationszwecke völlig ausreichend. Für sehr umfangreiche Berechnungsprobleme werden mehrere PCs zu sogenannten Clustern vernetzt, die dann parallel gemeinsam an einem Problem arbeiten, wobei die Rechenzeit leider nicht linear zur Anzahl der verknoteten Rechner sinkt.

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