Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung der Prozesskräfte bei komplexen Drehprozessen - ClaFoTurn -

Die zunehmenden Forderungen an Produktivität, Wirtschaftlichkeit und resultierende Bauteilqualität stellen wesentliche Herausforderungen für die Auslegung spanender Bearbeitungsverfahren dar. Um diesen Anforderungen zu begegnen, werden beim Drehen zunehmend kinematisch kompliziertere Sonderprozesse und Werkzeuge eingesetzt, die günstige Eingriffsbedingungen und Lastrichtungen herbeiführen und den vorhandenen Schneidstoff besser ausnutzen sollen. Beispiele hierfür sind das Schäldrehen zur Erzeugung drallfreier Oberflächen, das multiaxiale Drehen zur Erhöhung des Zeitspanvolumens oder das sogenannte „Rollfeed Turning“ zur gleichmäßigen Verteilung des Verschleißes entlang der Schneidkante. Im Gegensatz zur zweidimensionalen Kinematik konventioneller Drehprozesse, ergeben sich hierbei jedoch komplexe Spanungsquerschnitte sowie eine resultierende Zerspankraft, deren Betrag und Richtung zeitlich variabel ist. Die Kenntnis der zeitvarianten Eingriffsbedingungen und Prozesskräfte ist jedoch für die Auslegung der Prozesse und insbesondere für die Werkstückspannung zwingend erforderlich und bisher unzureichend erforscht. Insbesondere für KMU, die häufig kleine Losgrößen mit hoher Komplexität bearbeiten, muss jedoch eine sichere Bearbeitung ab dem ersten Teil sichergestellt werden. Das geplante Vorhaben hat das Ziel diese Wissenslücke zu schließen, indem eine Methode zur Zerspankraftprognose komplexer, zeitvariabler Drehprozesse erarbeitet wird. Durch die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens können Endanwender in kleinen und mittleren Fertigungsbetrieben, die einen Beschäftigungsanteil von über 60 % ausmachen, die Wirtschaftlichkeit ihrer Prozesse steigern. Die Verfügbarkeit von Kraftprognosemodellen für die vorab genannten neuartigen Drehprozesse ermöglicht es KMUs, die Rationalisierungspotentiale dieser Technologien voll auszuschöpfen und so den Fertigungsstandort Deutschland zu sichern.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines praxisgerechten simulationsbasierten Prozesskraftmodells für komplexe Drehprozesse.

Das beschriebene Vorhaben umfasst die Entwicklung einer Materialabtragsimulation, die über die Bestimmung der Spanungsquerschnitte eine Modellierung der Eingriffsbedingungen ermöglicht. Ebenso wurden, besonders in Hinblick auf den späteren Transfer in die Industrie, Ansätze zur analytischen Bestimmung der Spanungsquerschnitte entwickelt. Auf Grundlage dieser Ansätze wurde erstens ein simulationsbasiertes Modell entwickelt, welches eine Modellierung des zeitlichen Verlaufs der Prozesskräfte ermöglicht. Zweitens wurde, da besonders die höchsten während einer Bearbeitung auftretenden Prozesskräfte von Interesse bei der Auslegung von Werkzeug- und Werkstückspannungen sind, ein Modell basierend auf den analytisch bestimmten Spanungsquerschnitten erstellt. Durch die Übertragung auf einen weiteren Werkstoff konnte die Übertragbarkeit des Modells gezeigt werden und das Vorgehen bei der Übertragung auf nicht untersuchte Werkstoffe dargestellt werden.

Um die Anwendung in der Industrie zu ermöglichen, wurde ein Softwaretool mit graphischer Benutzeroberfläche entwickelt und an den projektbegleitenden Ausschuss verteilt. Dieses ermöglicht eine Berechnung der Prozesskräfte für die zuvor untersuchten Werkstoffe und ebenso eine Bestimmung der benötigten Spanungsgrößen. Außerdem können für die Prozessauslegung wichtige Größen wie Spindelmoment und -leistung oder das Zeitspanvolumen bestimmt werden.