Grundlagenprüfstand für Spanungsprozesse mit bestimmter Schneide: Aufbau, Experimentelle Ergebnisse und Nutzung für Prozessmodellierung und -simulation (A01, A02)

Für die Zielstellung des SFB/Transregio 96 sind die Wärmeströme von Interesse, die, ausgehend von der Zerspanungswärmequelle (Fräsen, Drehen, Bohren), über das Werkzeug und dessen Spannfutter in die Spindel und über das Werkstück und dessen Spannvorrichtung in den Maschinentisch gehen. Diese Wärmeströme beeinflussen die Lage des TCP (Tool Center Point) infolge thermischer Dehnungen sowohl auf der Werkzeug- als auch auf der Werkstückseite. Ihre genaue Kenntnis ist folglich für die Genauigkeit der Maschine als auch für notwendige Kompensationsstrategien von großer Bedeutung. Der vorgestellte, am Fraunhofer IPT in Aachen entwickelte Grundlagenversuchsstand und die dort eingesetzten Messmethoden für Temperatur und Schnittkraft ermöglichen einen Abgleich und eine Verbesserung der im Vortrag dargelegten analytischen Modellansätze für die Zerspanungswärmequelle. Als Modell wurde hier eine auf der Potenzialtheorie basierende Lösung der Wärmeleitungsdifferentialgleichung abgeleitet. Die durchgeführten Versuche dienen hierbei zur Parametrierung und Validation des entwickelten Modells. Experiment Das Messen von Temperaturen in der Zerspanung ist auf Grund der hohen räumlichen und zeitlichen Temperaturgradienten, der sehr kleinen Zeitkonstanten des Prozesses, der kleinen Dimensionen der Spanbildungszone und deren begrenzter Zugänglichkeit eine Herausforderung, verbunden mit einem großen experimentellen Aufwand. In dem Vortrag wird der Grundlagenversuchstand und die in ihm realisierte Messmethode vorgestellt. Sie kombiniert Infrarotkamera- mit Pyrometermessungen, verbindet damit die Vorteile beider Messmethoden und erlaubt die Ermittlung der Temperaturverteilung mit genauer Erfassung der Absoluttemperatur ohne explizite Kenntnis des Emissionsgrades. Simulation Über die analytische Modellierung hinausgehend können numerische Simulationsmodelle des Zerspanungsprozesses eine höher aufgelöste Temperaturverteilung in der Spanbildungszone und im Werkzeug und Werkstück liefern und zu weiterer Präzisierung der Modellansätze für die Wärmequellen beitragen. Im zweiten Teil des Vortrages werden für diese Simulationsmodelle dargelegt, • wie aus diesen Modellen die interessierenden Wärmeströme in das Werkzeug und in das Werkstück für unterschiedliche Werkstoffe und Schneidstoffe, Prozessparameter und Schnittbedingungen ermittelt werden können und • wie für den Abgleich der Modelle die Temperatur- und Kraftmessungen aus dem Grundlagenversuchsstand genutzt werden