Charakterisierung grundlegender Mechanismen für die Simulation der Spanbildung mithilfe der FEM

(Untersuchungen zum Führungsleistenverschleiß und zur Prozessdynamik beim BTA-Tiefbohren austenitischer Stähle)

Tiffe, M.

In den vergangenen Jahren wurde die „Industrie 4.0“ zum Schlagwort für die Zukunft der industriellen Produktion, die mit einer umfänglichen Digitalisierung einhergeht. In der spanenden Fertigung werden mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) ganze Bearbeitungsprozesse oder Vorgänge auf der mesoskopischen Ebene, wie z. B. die Spanbildung, simuliert. Die Simulation benötigt eine Vielzahl an Eingangsdaten und ihre Ergebnisse müssen stets kritisch geprüft werden.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Simulation der Spanbildung bei der Bearbeitung des unterschiedlich wärmebehandelten Vergütungsstahls 51CrV4 auf Basis experimentell ermittelter Eingangsparameter mithilfe der FEM. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs. Im Speziellen wird die Fließspannung bei gesteigerten Temperaturen und hohen Dehnraten erfasst. Es zeigt sich, dass die Fließspannungen bei Dehnraten von __ = 750…8000 s-1 wesentlicher höher sind als bei einer quasi-statischen Belastung und für einen gehärteten Gefügezustand bei _ ≈ 3000 MPa liegen. Des Weiteren liefern Orthogonalschnittversuche Kenntnisse über die bei der Spanbildung auftretenden Phänomene sowie Daten zur Validierung der Simulationsergebnisse. Je nach Wärmebehandlungszustand resultiert eine Fließ- oder eine Scherspanbildung mit Anzeichen eines duktilen Bruchs. Reibungsuntersuchungen unter zerspanungsähnlichen Bedingungen liefern die Eingangsdaten für zwei verschiedene Modelle, die den Kontakt von Span und Werkzeug bzw. Werkstück und Werkzeug abbilden. Es zeigt sich, dass die Reibungszahl mit steigender Reibungsgeschwindigkeit sinkt, während der Verlauf der Reibspannung von der Oberflächentopographie des Werkzeugs abhängt. Die Simulation der Spanbildung erfolgt unter Anwendung von jeweils zwei Fließspannungs- und Reibungsmodellen. Die neu entwickelten Modelle liefern eine verbesserte Vorhersage der mechanischen Werkzeugbelastung und der Spanform. Darüber hinaus wird die Entwicklung eines Fließspannungsmodells für die Simulation von Scherspänen auf Basis des Korngrenzengleitens vorgestellt. Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse und der experimentellen Ergebnisse zeigt, dass dieses Modell in der Lage ist, eine Segmentspanbildung mit einer gleichzeitig stattfindender Kornverfeinerung zu simulieren.

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Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2018, ISBN 978-3-8027-8911-3