Simulation des Wärmeeintrags verbessert Toleranztreue bei der Trockenbearbeitung

Durch den Wegfall des Kühlschmierstoffs bei der Trockenbearbeitung fehlt die Temperierung der Werkstücke bei der Zerspanung, wodurch sich deren thermische Belastung während des Bearbeitungsprozesses erhöht. Der daraus resultierende Werkstückverzug kann die Einhaltung enger Fertigungstoleranzen unmöglich machen.

Forscher untersuchen Verzug bei der Trockenbearbeitung

Deshalb werden am Institut für Produktionstechnik (WBK) der Universität Karlsruhe unterschiedliche Fertigungsschritte an Bauteilen unter dem Aspekt der Verzugsbeherrschung vorab simuliert und bewertet. Ziel der Forschungsarbeit ist eine auf Experimenten basierende mathematische Funktion, die die in das Bauteil eingebrachte Wärmestromdichte beschreibt und als Eingangsgröße für Simulationsprogramme dient.

Die experimentelle Erfassung der induzierten Wärmemenge für das Fräsen mit unterschiedlichen Prozessparametern oder Werkzeuggeometrien erfolgt durch den Einsatz von Thermoelementen, die in einen quaderförmigen Probenkörper eingeführt werden, der vorab mit drei Bohrungen unterschiedlicher Tiefe versehen wurde. Infolge des Zerspanungsprozesses erhöht sich die Temperatur der Probe.

Thermoelemente in unterschiedlicher Entfernung vom Fräser messen Temperaturverläufe

Die drei Thermoelemente, die sich in unterschiedlicher Entfernung zur Wirkstelle des Fräsers befinden, detektieren drei unterschiedliche Temperaturverläufe. Nach einer bestimmten Zeit bildet sich im Werkstück wieder eine homogene Temperaturverteilung aus. Dies kann über die drei Thermoelemente detektiert werden.

Anhand der gemessenen Verläufe bestimmt im Anschluss eine eigens entwickelte Auswertesoftware die Differenz dT [K] zwischen Ausgangs- und Homogenisierungstemperatur. Die Berechnung der induzierten Wärmemenge dQ [J] erfolgt dann über die Wärmebilanz: dQ = c · m · dT.

Experimentelle Daten dienen als Grundlage für Fräs-Simulation

Dabei ist m [kg] die Masse der Probe nach der Bearbeitung und c [J/(kg·K)] die spezifische Wärmekapazität des Werkstück-Werkstoffes. Sollen die experimentell gewonnenen Daten als Eingangsgröße für Simulationen verwendet werden, ergibt sich die Forderung nach einer geometrie- und zeitunabhängigen Größe.

Zu diesem Zweck erfolgt eine Division der eingebrachten Wärmemenge dQ durch die bearbeitete Probenoberfläche A. Das Resultat ist die induzierte Wärmestromdichte q [mJ/mm2], welche direkt als Parameter in Simulationsprogramme eingegeben werden kann.

In aktuellen Versuchsreihen wird am WBK der Einfluss der Schneideckenverrundung rε auf den Wärmeeintrag beim Gleich- und Gegenlauffräsen untersucht. Die Prozessparameter sind dabei konstant (Schnittgeschwindigkeit vc = 150 m/min, Vorschub pro Zahn fz = 0,25 mm). Für die Versuche werden Wendeschneidplatten mit einer Verrundung von rε = 0,8, 2,0 und 4,0 mm verwendet.

Höherer Schneideckenradius erhöht auch thermische Belastung beim Fräsen

Die Analyse der experimentell ermittelten Wärmestromdichten zeigt, dass die thermische Belastung der Probenbauteile mit ansteigendem Schneideckenradius zunimmt, unabhängig von der eingesetzten Bearbeitungsstrategie (Gleich- beziehungsweise Gegenlauffräsen).

Ursache ist die Vergrößerung der wirksamen Schneiden- beziehungsweise Kontaktfläche bei steigendem Schneideckenradius, wodurch es zu einer Zunahme von Reib- und Quetschvorgängen und damit der thermischen Belastung im Bereich zwischen Werkzeug und Werkstück kommt. Ein weiterer Grund für die erhöhte thermische Belastung der Probenkörper mit steigendem Schneideckenradius ist, dass mit zunehmender Verrundung rε die Materialtrennung mehr auf Quetsch- als auf reine Schneidvorgänge zurückzuführen ist.

Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen mit einheitlichen Werten

Die Untersuchung der Zunahme der induzierten Wärmestromdichten für unterschiedliche Schneideckenradien zeigt, dass sowohl beim Gleich- als auch beim Gegenlauffräsen einheitliche Werte vorliegen. So nimmt die thermische Belastung bei beiden Bearbeitungsstrategien von rε = 0,8 mm auf 4,0 mm um etwa 37% zu.

Eine Gegenüberstellung der induzierten Wärmestromdichten bei gleichen Prozessparametern zeigt, dass eine Bearbeitung der Probenkörper im Gleichlauf eine erhöhte thermische Belastung der Probenkörper im Vergleich zum Gegenlauffräsen verursacht, unabhängig von der Verrundung der Schneiden. Der verminderte Wärmeeintrag beim Gegenlauffräsen ist auf eine Abhängigkeit zwischen Schneidentemperatur, Spanungsdicke und deren Verteilung in der Spanbildungszone zurückzuführen. So wird die maximale Spanungsdicke aufgrund der Kinematik beim Gegenlauffräsen in ausreichender Entfernung zur auszubildenden Oberfläche erreicht, wodurch sich die besonders heißen Bereiche der Scherzone ebenfalls in ausreichender Entfernung zur entstehenden Oberfläche befinden.

Durch den eingestellten Vorschub werden diese Bereiche abgetrennt, bevor die eingebrachte Wärme durch konduktive Wärmeleitvorgänge in die Endkontur des Werkstücks gelangen kann. Im Gegensatz dazu wird die Endkontur beim Gleichlauffräsen mit der maximal erhitzten Schneide bearbeitet, das heißt bei minimaler Spanungsdicke.

Thermoelemente zeigen Wärmestromdichte auf

Die Auswertung der thermischen Belastungen zeigt, dass die induzierte Wärmestromdichte durch das Einbringen von Thermoelementen in ein Werkstück experimentell bestimmt werden kann. Neben den eingestellten Prozessparametern wie Vorschub oder Schnitttiefe spielt auch die Form der Werkzeugschneide eine entscheidende Rolle.

So wurde exemplarisch gezeigt, dass mit zunehmendem Schneideckenradius rε die thermische Belastung der Probenkörper kontinuierlich zunimmt. Das in einem vorangegangenen Projekt ermittelte Modell konnte weiterentwickelt und um den Parameter Schneideckenradius erweitert werden.

Prozessstrategie beim Fräsen hat klaren Einfluss auf den Wärmeeintrag

Außerdem wurde festgestellt, dass die Prozessstrategie (Gleich-, Gegenlauf- oder Querlauffräsen) einen klaren Einfluss auf den Wärmeeintrag in das Bauteil hat. Es wird deutlich, dass für die Integration der Wärmestromdichte als Eingangsgröße für Simulationsprogramme das thermomechanische Verhalten der untersuchten Werkstoffe herangezogen werden kann.

Dieser Schritt ermöglicht vorab eine Beurteilung einzelner Fertigungsschritte im Hinblick auf die Einhaltung geforderter Fertigungstoleranzen. Im Blickpunkt weiterer Untersuchungen steht der Einfluss unterschiedlich beschichteter Wendeschneidplatten auf den Wärmeeintrag bei der trockenen Fräsbearbeitung.

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze ist Bereichsleiter des Zentrums für Materialbearbeitung sowie Sprecher der Institutsleitung am Institut für Produktionstechnik (WBK) der Universität Karlsruhe (TH). Dr.-Ing. Rüdiger Pabst ist Oberingenieur der Gruppe Fertigungstechnologie im Zentrum für Materialbearbeitung am WBK. Dipl.-Ing. Jürgen Michna ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am WBK mit dem Forschungsschwerpunkt Trockenbearbeitung. Cand. mach. Thomas Hauer schreibt am WBK seine Diplomarbeit zum Thema „Experimentelle Untersuchung der Eingriffsbreite auf den Wärmeeintrag beim Fräsen“.