InstitutNews und VeranstaltungenNews
Effizienteres Kühlen durch multiskalige Simulationen

Effizienteres Kühlen durch multiskalige Simulationen

© IFW
Kühlmittelzuführung beim Werkzeugschleifen

In der spanenden Fertigung stellen Kühlschmierstoffe einen entscheidenden Einflussfaktor dar, um Werkstücke entsprechend der Qualitätsanforderungen herstellen zu können. Im Werkzeugschleif-prozess zur Herstellung von Spiralbohrern und Schaftfräsern werden in der Regel Schleiföle als Kühlschmierstoff eingesetzt. Die fluiddynamischen Vorgänge des Kühlschmierstoffs in der Kontaktzone und deren Auswirkungen auf die thermische Werkstückbelastung sind hierbei noch weitestgehend unbekannt. „Das wollen wir in unserem Projekt ändern und die Wissenslücke schließen“, erläutert Marcel Wichmann vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW). „Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FluSimPro)“ heißt das Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft, aus dem das Projekt gefördert wird. In Kooperation mit dem Zentrum für Technomathematik der Universität Bremen erforscht das IFW eine multiskalige Materialabtrag-Fluidsimulation für das Werkzeugschleifen unter Berücksichtigung prozessbedingter Unsicherheiten.

Der Einsatz von Kühlschmierstoffen ist in der spanenden Fertigung ein entscheidender Einflussfaktor, um Werkstücke entsprechend der Qualitätsanforderungen herstellen zu können. Gleichzeitig dient das Kühlmittel auch zum Abtransport der Späne sowie zur Kühlung des Werkzeugs und zur Reduzierung der Reibung durch Schmierung. Im Werkzeugschleifprozess zur Herstellung von Spiralbohrern und Schaftfräsern werden in der Regel Schleiföle als Kühlschmierstoff eingesetzt. Das Werkzeugschleifen bestimmt als zentraler Fertigungsschritt im hohen Maß das Einsatzverhalten der gefertigten Zerspanwerkzeuge.

Projektmitarbeiter Wichmann: „Die Auswahl einer geeigneten Kühlschmierung und Einstellung der Düsen beruht derzeit vor allem auf Erfahrungswissen und Versuchen, um die optimale Kühlschmierstoffzufuhr zu ermitteln“. Im Projekt erforschen die Mitarbeiter die fluiddynamischen Vorgänge des Kühlschmierstoffs in der Kontaktzone und deren Auswirkungen auf die thermische Werkstückbelastung. Sie entwickeln eine multiskalige Materialabtrag-Fluidsimulation für das Werkzeugschleifen. Der Fokus liegt hierbei auf der unscharfen Berechnung der Kühlschmierstoff-verteilung und der resultierenden thermischen Werkstückbelastung. Multiskalig bedeutet in diesem Fall, dass sowohl Prozesse der Makro- als auch Mikroebene (Teilchen- oder auch Schleifkornebene) berücksichtigt werden, um die Modellierung der Kühlwirkung im Prozess zu ermöglichen.

Ziel der Modellierung ist es, die Vielzahl an Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Prozessqualität zu erfassen, um langfristig eine schädigungsfreie Bearbeitung bei höherer Produktivität zu ermöglichen. Gleichzeitig soll die Simulation in der Lage sein, Prozessunsicherheiten durch zufällige Schwankungen auf der Mikroebene einzukalkulieren. Eine Fluiddynamiksimulation soll dabei insbesondere mikroskopische Aspekte wie das Benetzungsverhalten und die Kühlwirkung des KSS abbilden. Wichmann: „Wir erstellen dafür Modelle der Schleifscheibe und des Strömungs- und Benetzungsverhalten.“ Das Benetzungsverhalten wird dabei durch experimentelle Untersuchungen am IFW erforscht. Die Modellierung der Schleifscheibentopographie soll über eine Sensitivitätsanalyse zu den Beschreibungsmerkmalen und durch eine im Projekt entwickelte Methode zur unscharfen Berechnung von Schwankungsbreiten der KSS-Verteilung in der Kontaktzone, in den Wärmeübergängen und den daraus resultierenden Werkstücktemperaturen realisiert werden. Die Methode zur unscharfen Berechnung ist wichtig, da es auf der Teilchenebene nicht möglich ist, dass bestimmte Eigenschaften der Teilchen gleichzeitig zu 100 Prozent genau bestimmbar sind. In weiterführenden Förderzeiträumen soll die Fluiddynamiksimulation mit einer Materialabtragssimulation gekoppelt werden. Die so entstandene multiskalige Simulation wird dann auf den Nutentiefschliff als einen der wesentlichen Werkzeugschleifprozesse übertragen.