FEM-based software system for the efficient 3D tapping simulation and tool optimization using CFD simulation

(FEM-basiertes Softwaresystem für die effiziente 3D-Gewindebohrsimulation und Werkzeugoptimierung mittels CFD-Simulation)

Özkaya, E.

Zur Herstellung von Innengewinden wird als Fertigungsverfahren das Gewindebohren am häufigsten eingesetzt und zählt in der Regel zu den letzten Bearbeitungsschritten, die an einer Komponente durchgeführt werden.

Unsymmetrische Werkzeuge, zu kleine Kernbohrungen, Verschleißerscheinungen, falsch gewählte Schnittgeschwindigkeiten, Schneidstoffe, Kühlschmierstoffe (KSS) und axiales Voreilen des Gewindebohrers führen schnell zum Verschnitt oder in den schlimmsten Fällen sogar zum Werkzeugbruch. Im Gegensatz zum Drehen, Bohren oder Fräsen zählt sowohl das Schneidwerkzeug als auch das eigentliche Gewindebohrverfahren bis heute zu den am wenigsten analysierten Zerspanungsprozessen. Es ist jedoch für eine fortschrittliche Bearbeitung unabdingbar, dass ein gewisses Grundverständnis über die Zerspanbarkeit vorliegen muss, um das System beherrschen und mit entsprechenden Prozessparametern optimieren zu können. Denn nur die genauen Kenntnisse über Schnittdaten, Werkzeugverschleiß, Werkzeugstandzeit, Schnittkräfte, Spanbildung und deren Korrelationen beim Schneidprozess erlauben das essenzielle Betreiben flexibler Bearbeitungssysteme und Werkzeugmaschinen.

Aufgrund mangelnder Grundlagenuntersuchungen ist die Herstellung von Gewindebohrern, d. h. deren geometrische Auslegung und Gestaltung sowie Spezifikationen, von den langjährigen praktischen Erfahrungen und erzielten Erkenntnissen der Hersteller abhängig, die größtenteils zudem nur mündlich und streng vertraulich an die nächste Generation weitergegeben werden.

Während Simulationen, die auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren, nahezu für jedes Fertigungsverfahren eingesetzt werden, stellt die numerische Abbildung von Gewindebohrprozessen durch die hohe geometrische Werkzeugkomplexität mit einer Vielzahl an Schneiden mit unterschiedlichen Eingriffssituationen eine große Herausforderung dar. Das Drehmoment ist beim Gewindebohren eine der wichtigsten Kenngrößen und somit für die Vorhersage der Leistungsfähigkeit von großer Bedeutung. Da sich das Drehmoment durch die dynamischen Schneidkräfte über die gesamte Anschnittlänge bildet, entsteht ein völlig anderer Schneidmechanismus als bei anderen Zerspanungsprozessen mit geometrisch bestimmter Schneide. Die dreidimensionale (3D-) Abbildung des Gewindebohrprozesses bereitet diesbezüglich enorme Schwierigkeiten, denn die Modellierung zahlreicher Werkzeugvarianten sowie deren Simulation über die gesamte Anschnittlänge und eine darauf aufbauende Prozessoptimierung sind sehr rechenzeitintensiv.

Die vorliegende Arbeit setzt bei diesen Herausforderungen an und präsentiert ein FEM-basiertes Softwaresystem, das die dreidimensionale Simulation von Gewindebohrern mit Schwerpunkt auf der Drehmomentvoraussage mit praktikablen Rechenzeiten erlaubt.

Es wird zunächst ein grundsätzliches Konzept einer entsprechenden FE-Simulation dargelegt. Ferner werden Ergebnisse von experimentellen und simulativen Untersuchungen in der metrischen Gewindebohrerreihe (GB-Reihe) auf dieser Basis präsentiert. Daran schließen sich, aufbauend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen, Methoden und mathematische Modelle zur Rechenzeitreduzierung sowie eine Vorhersagemethode des Drehmoments auf andere Werkzeugvarianten an. Wesentliche Ansätze sind die Zerlegung des Werkstücks in Teilsegmente sowie die Interpolation und Extrapolation aus simulativ ermittelten Werten für ausgewählte Werkzeugvarianten. Das FEM-basierte Softwaresystem setzt dieses um. Für die FE-Simulation verwendet es die Engineeringsoftware DEFORM 3D. Hierfür wird eine geeignet konzipierte kommunikative Schnittstelle bereitgestellt, über die entsprechende Verfahrensschritte im Pre- und Postprocessor und bestimmte Solveroptionen ausgeführt werden können. Die Bedienung erfolgt über eine benutzungsfreundliche graphischinteraktive Benutzungsoberfläche, die die speziellen Gegebenheiten des 3D-Gewindebohrens berücksichtigt. Die Tragfähigkeit der Lösung wird anhand einer dynamischen Systemkontrolle demonstriert.

Hochleistungsgewindebohrer sind aufgrund der Produktivitätssteigerung häufig mit Innenkühlkanälen (IK-Kanälen) ausgestattet. Dadurch sollen die Wirkstellen besser mit KSS versorgt und zudem das Ziel einer universellen Werkzeuggestaltung erreicht werden. Da auch dieser Aspekt zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und zur verbesserten Prozesssicherheit beiträgt, wird in dieser Arbeit auch erstmalig eine Computational-Fluid-Dynamics-(CFD)-Analyse beim Gewindebohren durchgeführt und die physikalischen Phänomene der KSS-Strömung unter-sucht. Dabei werden die IK-Kanalanordnung analysiert und das Werkzeug anhand der CFD-Ergebnisse optimiert, sodass die Zuverlässigkeit des CFD-Ansatzes überprüft werden kann.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN: 978-3-8027-8793-5