A numerical modeling strategy for the damage-relevant evaluation of metrologically inaccessible thermo-mechanical milling tool loads

Titel in Übersetzung: Eine numerische Modellierungsstrategie zur schadensrelevanten Bewertung messtechnisch unzugänglicher thermomechanischer Belastungen von Fräswerkzeugen

Andreas Nemetz

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Nachfrage nach Bauteilen aus schwer zerspanbaren Werkstoffen, zum Beispiel Titanlegierungen nimmt in Technologiebereichen wie der Luft- und Raumfahrt rasant zu. Aufgrund des geringen Vorfertigungsgrades von Halbzeugen aus diesen Werkstoffen muss bei der Erstellung der Kontur ein großes Volumen entfernt werden. Aus diesem Grund ist das Fräsen die Fertigungsmethode der Wahl, um das fertige Produkt zu erhalten. Innerhalb dieses Produktionsprozesses ist das Werkzeugversagen ein Hauptkostenfaktor bei der Herstellung teurer Bauteile. Die Möglichkeit zur Prognose von vorzeitig einsetzendem kritischen Verschleiß, Bruch oder Abplatzen der Schneidkante von Fräswerkzeugen reduziert solche Kosten und trägt dazu bei, die hohen Qualitätsanforderungen für die gefrästen Bauteile erfüllen zu können. Bei der Instrumentierung von Werkzeugen und der Ausstattung von Werkzeugmaschinen mit Sensoren werden große Anstrengungen unternommen. Durch Kraft- und Temperaturmessungen alleine ist es jedoch nicht möglich, den auftretenden Schadensmechanismus in Werkzeugen, insbesondere an der Schneide, direkt abzuleiten. Temperatursensoren können nicht beliebig nahe an der Schneide platziert werden. Eine in-situ Untersuchung der Eigenspannungsentwicklung in zyklisch angreifenden Fräswerkzeugen ist ebenfalls nicht möglich. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wurden neu entwickelte thermo-mechanische Simulationen des Fräsprozesses eingesetzt. Als wichtiger Meilenstein für die Simulation von Zerspanungsprozessen wurde schrittweise ein validiertes Modell eines trockenen Fräsprozesses aufgebaut. Die dazu notwendigen Entwicklungsschritte korrelieren mit den vier Papers A, B, C und D, die für die vorliegende Arbeit zusammengefasst wurden. In Paper A wurde ein in der Literatur dokumentiertes Fräsexperiment modelliert, um die Entwicklung der Eigenspannungen und die thermisch induzierte Schädigung einer Wendeschneidplatte während der Prozesszeit zu untersuchen. Im Fräsexperiment wurde Stahl zerspant und die während des Prozesses aufgebauten Eigenspannungen an der Spanfläche des Fräseinsatzes nach mehreren Fräszyklen dokumentiert. Die Werkzeugbelastung wurde mit einem thermo-mechanischen 2D-Fräsmodell berechnet. In einem nachfolgenden Modellierungsschritt wurde die ermittelte Last zyklisch auf ein 3D-Modell der Wendeschneidplatte aufgebracht. In der Simulation wurden Zug-Eigenspannungen an derselben Stelle auf der Spanfläche und in der gleichen Größenordnung wie im Fräsexperiment ermittelt. Im nächsten Entwicklungsschritt, welcher in Paper B beschrieben wird, wurde die 2D-Modellierung der thermo-mechanischen Werkzeugbelastung um einen zyklischen und iterativen Ansatz erweitert, um die Simulation des Aufheizens des Fräswerkzeugs realistischer zu gestalten. Damit wurde der simulative Ansatz den realen Aufheizbedingungen beim Fräsen deutlich angenähert. In Paper C wurde der neu entwickelte Ansatz zur Ermittlung der Werkzeugbelastung zyklisch auf das 3D-Modell der Wendeplatte angewendet. Es bewertete numerisch die Effizienz verschiedener Beschichtungen während einer hohen Anzahl von Fräszyklen. Im letzten Entwicklungsschritt, dokumentiert in Paper D, wurden die in Paper A-C entwickelten Methoden auf die schwer zerspanbare Titanlegierung und ein Werkzeug mit komplexer Schneidengeometrie übertragen. Die Anwendung der in den Vorgängermodellen entwickelten Methoden und deren Kombination mit dem neu entwickelten Modell für die zyklische Erwärmung des Werkstücks ergibt eine validierte Modellierungsstrategie zur Berechnung der thermischen Werkzeugbelastung, insbesondere an der Schneide.
Titel in ÜbersetzungEine numerische Modellierungsstrategie zur schadensrelevanten Bewertung messtechnisch unzugänglicher thermomechanischer Belastungen von Fräswerkzeugen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Mitterer, Christian, Beurteiler B (intern)
  • Daves, Werner, Betreuer (intern)
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

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