Experimenteller Abgleich und Verifizierung des simulativ ermittelten Aufteilungsver­hältnisses der Zer­spanungsleis­tung in Span, Werkstück und Werkzeug

Zielstellung

Der Fertigungsprozess stellt im System Werkzeugmaschine-Werkzeug-Werkstück die größte Wärmequelle dar. Die Prozesswärme und die Fertigungsbedingungen beeinflussen damit wesentlich das thermische Verhalten der Werkzeugmaschine. Bei der Simulation des thermischen Verhaltens konnten diese Bedingungen bisher nur ungenügend berücksichtigt werden. Es wurden bereits parameterabhängige thermische Modelle für die Beschreibung des Fertigungsprozesses bei der Simulation spanender Werkzeugmaschinen erstellt. Dieses bisher nur simulativ erarbeitete Modellobjekt soll experimentell abgeglichen und verifiziert werden.

Lösungsweg

Der Einfluss der Spanungsparameter auf das Aufteilungsverhältnis wurde mittels eines Wärmekapazitäts-Wärmeleitwert-Netzwerkes ermittelt, wobei die Spanungsparameter in 5000 Einzelsimulationen innerhalb praktischer Grenzen zufällig gestreut wurden. Als Ergebnis wurden stets die Wärmestromanteile ins Werkstück qWst, ins Werkzeug qWZ und in die Späne qSpan ermittelt. Die erhaltenen Ergebnisse der Einzelsimulationen wurden mittels einer Ausgleichsrechnung in einfache mathematische Beschreibungen der Wärmestromanteile überführt. Zur Überprüfung der Simulationsergebnisse bzw. des in Ausgleichsrechnungen ermittelten Formelwerks, wurde ein Versuchsaufbau entworfen, bei dem die Wärmestromanteile in allen drei Zerspanpartnern bestimmt werden können. Dabei wurde auf einem Drehteil ein wendelförmiger Steg herausgearbeitet, von dessen Stegoberfläche während der Versuche Späne abgenommen wurden. Die messtechnische Erfassung der Wärmeströme geschah am Werkzeug mittels eingebrachter Thermoelemente und am Werkstück durch eine berührungslose pyrometrische Messung. Die Messung des Wärmestromanteils in den Spänen geschah unter Nutzung der Kalorimetrie. Zusätzlich wurden die entstehenden Zerspankräfte mittels eines Dynamometers erfasst, um eine Überbestimmung der Messung zu erzielen.

Der Einfluss folgender Spanungsparameter wurde messtechnisch untersucht:

• Schnittgeschwindigkeit vc,
• Spanungsbreite b,
• Verschleißmarkenbreite VB,
• Wärmeleitfähigkeit des Schneidstoffes λSchneid

Ergebnisse

Bei niedrigen Péclet-Zahlen ist der berechnete Werkstückanteil bis auf eine Ausnahme höher als messtechnisch erfasst. Die Tendenz des Werkzeugwärmestromanteils wird in allen Versuchsreihen erfasst. Die Maximalabweichung ist stets ΔqWZ < 0,1. Spanwärmestromanteile können gut durch das Formelwerk beschrieben werden. Höhere absolute Abweichungen können im hohen Pe-Zahl-Bereich auftreten. Die tendenzielle Gültigkeit des auf simulativer Grundlage ermittelten Formelwerks, kann bestätigt werden.

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© Crispin-Iven Mokry

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Mr Dr.-Ing. Lars Penter

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