Geometrisch-physikalische Simulation von Zerspanprozessen mit geometrisch unbestimmter Schneide

Zur Analyse und Optimierung von Zerspanprozessen mit geometrisch unbestimmter Schneide wird am ISF ein Simulationssystem entwickelt, welches unter Berücksichtigung der Werkzeugtopographien den resultierenden Materialabtrag und die erzeugte Werkstücktopographie berechnet. Die Modellierung der Werkzeuge basiert dabei entweder auf einer Verschneidung von geometrisch idealen Grundkörpern (Constructive Solid Geometry) oder auf optisch erfassten Messdaten. Zur repräsentativen Darstellung der Werkstückoberflächen können sowohl Höhen- als auch Dexelfelder verwendet werden.

Die entwickelte Schleifsimulation kann in zwei Detaillierungsstufen durchgeführt werden. Dabei ermöglicht der makroskopische Simulationsansatz, bei dem die Schleifwerkzeuge als geometrische Grundkörper dargestellt werden, die Berechnung des Materialabtrags für den gesamten Schleifprozess. Darauf aufbauend kann eine erste Näherung der auftretenden Prozesskräfte berechnet sowie eine Analyse der Eingriffsbedingungen zur Ermittlung der Belastungsverteilung entlang des Werkzeuggrundkörpers durchgeführt werden. Da der Schleifprozess jedoch sehr von der Verteilung der Schleifkörner auf der Werkzeugoberfläche abhängt, stellen die mit dem makroskopischen Ansatz erzielten Simulationsergebnisse nur eine grobe Approximation der tatsächlich auftretenden Belastungen dar. Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, wurde das Simulationsmodell um eine mesoskopische Skala erweitert, indem anstelle der makroskopischen Werkzeuggestalt die einzelnen Schleifkörner abgebildet werden. Die Kraftberechnung erfolgt dabei auf Basis aller im Eingriff befindlichen Kornschneiden und ermöglicht eine präzisere Berechnung der Prozesskräfte sowie die Abbildung der resultierenden Oberflächentopographie. Auf Grundlage der simulierten Belastungen soll weiterhin der Verschleiß der Werkzeuge auf Einzelkornbasis modelliert werden, um somit Prozesskräfte und entstehende Oberflächentopographien verschleißzustandsabhängig vorhersagen zu können.

Die Modellnachbildung des Honwerkzeugs erfolgt auf Grundlage digitalisierter Honleisten. Diese werden mit einer geschliffenen und ebenfalls digitalisierten Werkstückoberfläche übereinander geführt bzw. verschnitten. Der Werkstoffabtrag erfolgt durch das kontinuierliche Berechnen der Schnittmenge zwischen den beiden Oberflächen, wobei die Honleiste entsprechend der Prozesskinematik bewegt wird. Als Eingangsinformation und zur Verifikation der Honprozesssimulation dienen die Erkenntnisse experimenteller Arbeiten. Durch die Modellierung des Honprozesses wird die Möglichkeit geschaffen, im Vorfeld praktischer Versuche eine simulative Nachbildung der Prozesse durchführen und damit die erzielbaren Oberflächenstrukturierungen prognostizieren zu können.

In der Abbildung sind exemplarisch zwei im Eingriff befindliche Schleif- bzw. Honwerkzeuge dargestellt. Das Schleifwerkzeug besteht dabei aus stochastisch verteilten geometrisch idealen Schleifkörnern, wohingegen das Honwerkzeug auf Grundlage optisch ermittelter Messdaten modelliert wurde. In beiden Fällen wird durch die geometrische Verschneidung mit der Werkstückoberfläche die resultierende Topographie erzeugt.

Abb.: Simulation eines Schleif- und Honprozesses unter Berücksichtigung der Werkzeug- und Werkstücktopographie

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